Etanol celulósico
Etanol producido a partir de celulosa

El etanol celulósico es etanol (alcohol etílico) producido a partir de celulosa (la fibra fibrosa de una planta) en lugar de a partir de las semillas o frutos de la planta . Puede producirse a partir de hierbas , madera , algas u otras plantas. Generalmente se habla de su uso como biocombustible . El dióxido de carbono que absorben las plantas a medida que crecen compensa parte del dióxido de carbono emitido cuando se quema el etanol elaborado a partir de ellas , por lo que el combustible de etanol celulósico tiene el potencial de tener una huella de carbono menor que los combustibles fósiles .

El interés por el etanol celulósico se debe a su potencial para sustituir al etanol elaborado a partir de maíz o caña de azúcar . Dado que estas plantas también se utilizan para productos alimenticios, desviarlas para la producción de etanol puede hacer que aumenten los precios de los alimentos; por otro lado, las fuentes basadas en celulosa generalmente no compiten con los alimentos, ya que las partes fibrosas de las plantas son en su mayoría incomestibles para los humanos. Otra ventaja potencial es la gran diversidad y abundancia de fuentes de celulosa; las hierbas, los árboles y las algas se encuentran en casi todos los entornos de la Tierra. Incluso los componentes de los residuos sólidos urbanos, como el papel, podrían convertirse en etanol. La principal desventaja actual del etanol celulósico es su alto costo de producción, que es más complejo y requiere más pasos que el etanol basado en maíz o caña de azúcar.

El etanol celulósico recibió una atención significativa en la década de 2000 y principios de la de 2010. El gobierno de los Estados Unidos , en particular, financió la investigación sobre su comercialización y estableció objetivos para la proporción de etanol celulósico añadido al combustible para vehículos. Un gran número de nuevas empresas especializadas en etanol celulósico, además de muchas empresas existentes, invirtieron en plantas de producción a escala piloto . Sin embargo, la fabricación mucho más barata de etanol a base de granos, junto con el bajo precio del petróleo en la década de 2010, significó que el etanol celulósico no era competitivo con estos combustibles establecidos. Como resultado, la mayoría de las nuevas refinerías cerraron a mediados de la década de 2010 y muchas de las empresas recién fundadas se declararon insolventes. Unas pocas todavía existen, pero se utilizan principalmente con fines de demostración o investigación; a partir de 2021, ninguna produce etanol celulósico a escala.

Descripción general

El etanol celulósico es un tipo de biocombustible producido a partir de lignocelulosa , un material estructural que comprende gran parte de la masa de las plantas y está compuesto principalmente de celulosa , hemicelulosa y lignina . Las fuentes populares de lignocelulosa incluyen tanto productos de desecho agrícolas (por ejemplo, rastrojo de maíz o astillas de madera ) como pastos como el pasto varilla y las especies de miscanthus . [1] Estas materias primas para la producción de etanol tienen la ventaja de ser abundantes y diversas y no competirían con la producción de alimentos, a diferencia de los azúcares de maíz y caña más comúnmente utilizados. [2] Sin embargo, también requieren un mayor procesamiento para que los monómeros de azúcar estén disponibles para los microorganismos que normalmente se utilizan para producir etanol por fermentación, lo que aumenta el precio del etanol derivado de la celulosa. [3]

El etanol celulósico puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 85% en comparación con la gasolina reformulada. [4] Por el contrario, el etanol de almidón (por ejemplo, de maíz), que con mayor frecuencia utiliza gas natural para proporcionar energía para el proceso, puede no reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en absoluto dependiendo de cómo se produzca la materia prima basada en almidón. [5] Según la Academia Nacional de Ciencias en 2011, no existe ninguna biorrefinería comercialmente viable para convertir la biomasa lignocelulósica en combustible. [6] La ausencia de producción de etanol celulósico en las cantidades requeridas por la regulación fue la base de una decisión del Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para el Distrito de Columbia anunciada el 25 de enero de 2013, anulando un requisito impuesto a los productores de combustible para automóviles y camiones en los Estados Unidos por la Agencia de Protección Ambiental que requiere la adición de biocombustibles celulósicos a sus productos. [7] Estas cuestiones, junto con muchos otros desafíos difíciles de producción, llevaron a los investigadores de políticas de la Universidad George Washington a afirmar que "en el corto plazo, el etanol [celulósico] no puede cumplir con los objetivos ambientales y de seguridad energética de una alternativa a la gasolina". [8]

Historia

El químico francés Henri Braconnot fue el primero en descubrir que la celulosa podía hidrolizarse en azúcares mediante el tratamiento con ácido sulfúrico en 1819. [9] El azúcar hidrolizado podía entonces procesarse para formar etanol mediante fermentación. La primera producción comercializada de etanol comenzó en Alemania en 1898, donde se utilizó ácido para hidrolizar la celulosa. En los Estados Unidos, la Standard Alcohol Company abrió la primera planta de producción de etanol celulósico en Carolina del Sur en 1910. Más tarde, se abrió una segunda planta en Luisiana. Sin embargo, ambas plantas se cerraron después de la Primera Guerra Mundial debido a razones económicas. [10]

El primer intento de comercializar un proceso para producir etanol a partir de madera se realizó en Alemania en 1898. Se trataba de utilizar ácido diluido para hidrolizar la celulosa en glucosa, y se podían producir 7,6 litros de etanol por cada 100 kg de desechos de madera (68 litros por tonelada). Los alemanes pronto desarrollaron un proceso industrial optimizado para obtener unos 190 litros por tonelada de biomasa. Este proceso pronto llegó a Estados Unidos y culminó con la operación de dos plantas comerciales en el sudeste durante la Primera Guerra Mundial. Estas plantas utilizaban lo que se denominó "el proceso americano", una hidrólisis de ácido sulfúrico diluido en una sola etapa. Aunque los rendimientos eran la mitad de los del proceso alemán original (95 litros de etanol por tonelada frente a 50), el rendimiento del proceso americano era mucho mayor. Una caída en la producción de madera obligó a las plantas a cerrar poco después del final de la Primera Guerra Mundial. Mientras tanto, una pequeña pero constante cantidad de investigación sobre hidrólisis ácida diluida continuó en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS . [11] [12] [13] Durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos volvió a recurrir al etanol celulósico, esta vez para la conversión a butadieno para producir caucho sintético. La Vulcan Copper and Supply Company fue contratada para construir y operar una planta para convertir aserrín en etanol. La planta se basó en modificaciones al proceso Scholler alemán original desarrollado por el Laboratorio de Productos Forestales. Esta planta logró un rendimiento de etanol de 50 galones estadounidenses (190 L) por tonelada seca, pero aún no era rentable y se cerró después de la guerra. [14]

Con el rápido desarrollo de las tecnologías enzimáticas en las últimas dos décadas, el proceso de hidrólisis ácida ha sido reemplazado gradualmente por la hidrólisis enzimática. Se requiere un pretratamiento químico de la materia prima para hidrolizar (separar) la hemicelulosa, de modo que pueda convertirse de manera más efectiva en azúcares. El pretratamiento con ácido diluido se desarrolló con base en el trabajo inicial sobre hidrólisis ácida de la madera en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS . En 2009, el Laboratorio de Productos Forestales junto con la Universidad de Wisconsin-Madison desarrollaron un pretratamiento con sulfito para superar la recalcitrancia de la lignocelulosa para una hidrólisis enzimática robusta de la celulosa de la madera. [15]

En su discurso sobre el Estado de la Unión del 23 de enero de 2007, el presidente estadounidense George W. Bush anunció una propuesta de mandato para producir 35 mil millones de galones estadounidenses (130 × 10 9  L) de etanol para 2017. Más tarde ese año, el Departamento de Energía de Estados Unidos otorgó $385 millones en subvenciones destinadas a impulsar la producción de etanol a partir de fuentes no tradicionales como astillas de madera, pasto varilla y cáscaras de cítricos. [16]^

Métodos de producción

Biorreactor para investigación de etanol celulósico.

Las etapas para producir etanol utilizando un enfoque biológico son: [17]

  1. Una fase de "pretratamiento" para hacer que el material lignocelulósico, como la madera o la paja, sea susceptible de hidrólisis.
  2. Hidrólisis de celulosa ( celulólisis ) para descomponer las moléculas en azúcares.
  3. Fermentación microbiana de la solución de azúcar.
  4. Destilación y deshidratación para producir alcohol puro.

En 2010, se desarrolló una cepa de levadura modificada genéticamente para producir sus propias enzimas digestivas de celulosa. [18] Suponiendo que esta tecnología pueda ampliarse a niveles industriales, eliminaría uno o más pasos de la celulólisis, reduciendo tanto el tiempo requerido como los costos de producción.

Aunque la lignocelulosa es el recurso vegetal más abundante, su utilidad se ve limitada por su estructura rígida. Como resultado, se necesita un pretratamiento eficaz para liberar la celulosa del sello de lignina y su estructura cristalina para que sea accesible para un paso de hidrólisis posterior. [19] La mayoría de los pretratamientos se realizan por medios físicos o químicos. Para lograr una mayor eficiencia, se requieren pretratamientos físicos y químicos. El pretratamiento físico implica reducir el tamaño de las partículas de biomasa mediante métodos de procesamiento mecánico como la molienda o la extrusión . El pretratamiento químico despolimeriza parcialmente la lignocelulosa para que las enzimas puedan acceder a la celulosa para las reacciones microbianas. [20]

Las técnicas de pretratamiento químico incluyen hidrólisis ácida , explosión de vapor , expansión de fibra de amoníaco, organosolv, pretratamiento con sulfito , [15] fraccionamiento SO2-etanol-agua, [21] oxidación húmeda alcalina y pretratamiento con ozono. [22] Además de la liberación efectiva de celulosa, un pretratamiento ideal tiene que minimizar la formación de productos de degradación porque pueden inhibir los pasos de hidrólisis y fermentación posteriores. [23] La presencia de inhibidores complica aún más y aumenta el costo de la producción de etanol debido a los pasos de desintoxicación necesarios. Por ejemplo, aunque la hidrólisis ácida es probablemente la técnica de pretratamiento más antigua y más estudiada, produce varios inhibidores potentes, incluidos el furfural y el hidroximetilfurfural . [24] La expansión de fibra de amoníaco (AFEX) es un ejemplo de un pretratamiento prometedor que no produce inhibidores. [25]

La mayoría de los procesos de pretratamiento no son efectivos cuando se aplican a materias primas con alto contenido de lignina, como la biomasa forestal. Estos requieren enfoques alternativos o especializados. Los procesos Organosolv , SPORL ('pretratamiento con sulfito para superar la recalcitrancia de la lignocelulosa') y SO2-etanol-agua (AVAP®) son los tres procesos que pueden lograr más del 90% de conversión de celulosa para la biomasa forestal, especialmente aquellos de especies de madera blanda. SPORL es el proceso más eficiente energéticamente (producción de azúcar por unidad de consumo de energía en pretratamiento) y robusto para el pretratamiento de biomasa forestal con muy baja producción de inhibidores de fermentación. La pulpa Organosolv es particularmente efectiva para maderas duras y ofrece una fácil recuperación de un producto de lignina hidrofóbica por dilución y precipitación. [26] </ref> El proceso AVAP® fracciona eficazmente todos los tipos de lignocelulósicos en celulosa limpia altamente digestible, azúcares de hemicelulosa no degradados, lignina reactiva y lignosulfonatos, y se caracteriza por una recuperación eficiente de químicos. [27] [28]

Procesos celulolíticos

La hidrólisis de la celulosa ( celulólisis ) produce azúcares simples que pueden fermentarse para convertirse en alcohol. Existen dos procesos principales de celulólisis: procesos químicos que utilizan ácidos o reacciones enzimáticas que utilizan celulasas . [17]

Hidrólisis química

En los métodos tradicionales desarrollados en el siglo XIX y principios del XX, la hidrólisis se realiza atacando la celulosa con un ácido. [29] Se puede utilizar ácido diluido a altas temperaturas y alta presión, o se puede utilizar ácido más concentrado a temperaturas más bajas y presión atmosférica. Una mezcla celulósica descristalizada de ácido y azúcares reacciona en presencia de agua para completar las moléculas de azúcar individuales (hidrólisis). El producto de esta hidrólisis se neutraliza y se utiliza la fermentación con levadura para producir etanol. Como se mencionó, un obstáculo importante para el proceso de ácido diluido es que la hidrólisis es tan dura que se producen productos de degradación tóxicos que pueden interferir con la fermentación. BlueFire Renewables utiliza ácido concentrado porque no produce tantos inhibidores de la fermentación, pero debe separarse de la corriente de azúcar para que el reciclaje [separación cromatográfica de lecho móvil simulado, por ejemplo] sea comercialmente atractivo. [ cita requerida ]

Los científicos del Servicio de Investigación Agrícola descubrieron que pueden acceder y fermentar casi todos los azúcares restantes en la paja de trigo . Los azúcares se encuentran en las paredes celulares de la planta, que son notoriamente difíciles de descomponer. Para acceder a estos azúcares, los científicos trataron previamente la paja de trigo con peróxido alcalino y luego utilizaron enzimas especializadas para descomponer las paredes celulares. Este método produjo 93 galones estadounidenses (350 L) de etanol por tonelada de paja de trigo. [30]

Hidrólisis enzimática

Las cadenas de celulosa pueden descomponerse en moléculas de glucosa mediante enzimas celulasas . Esta reacción ocurre a temperatura corporal en los estómagos de rumiantes como el ganado vacuno y las ovejas, donde las enzimas son producidas por microbios. Este proceso utiliza varias enzimas en varias etapas de esta conversión. Utilizando un sistema enzimático similar, los materiales lignocelulósicos pueden hidrolizarse enzimáticamente en una condición relativamente suave (50 °C y pH 5), lo que permite una descomposición eficaz de la celulosa sin la formación de subproductos que de otro modo inhibirían la actividad enzimática. Todos los principales métodos de pretratamiento, incluido el ácido diluido, requieren un paso de hidrólisis enzimática para lograr un alto rendimiento de azúcar para la fermentación del etanol. [25]

Las enzimas fúngicas se pueden utilizar para hidrolizar la celulosa. La materia prima (a menudo madera o paja) todavía tiene que ser tratada previamente para que sea susceptible a la hidrólisis. [31] En 2005, Iogen Corporation anunció que estaba desarrollando un proceso que utilizaba el hongo Trichoderma reesei para secretar "enzimas especialmente diseñadas" para un proceso de hidrólisis enzimática . [32]

Otra empresa canadiense, SunOpta, utiliza el pretratamiento por explosión de vapor y proporciona su tecnología a las instalaciones de Verenium (anteriormente Celunol Corporation) en Jennings (Luisiana) , a las instalaciones de Abengoa en Salamanca (España ) y a una empresa de China Resources Alcohol Corporation en Zhaodong . La planta de producción de CRAC utiliza rastrojo de maíz como materia prima. [33]

Fermentación microbiana

Tradicionalmente, la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ) se ha utilizado durante mucho tiempo en la industria cervecera para producir etanol a partir de hexosas (azúcares de seis carbonos). Debido a la naturaleza compleja de los carbohidratos presentes en la biomasa lignocelulósica , una cantidad significativa de xilosa y arabinosa (azúcares de cinco carbonos derivados de la porción de hemicelulosa de la lignocelulosa) también está presente en el hidrolizado. Por ejemplo, en el hidrolizado de rastrojo de maíz , aproximadamente el 30% de los azúcares fermentables totales es xilosa. Como resultado, la capacidad de los microorganismos fermentadores para utilizar toda la gama de azúcares disponibles en el hidrolizado es vital para aumentar la competitividad económica del etanol celulósico y, potencialmente, de las proteínas de base biológica. [ cita requerida ]

A principios del milenio, la ingeniería metabólica para microorganismos utilizados en la producción de etanol combustible mostró un progreso significativo. [34] Además de Saccharomyces cerevisiae , microorganismos como Zymomonas mobilis y Escherichia coli han sido objeto de ingeniería metabólica para la producción de etanol celulósico. Un atractivo hacia los organismos de fermentación alternativa es su capacidad para fermentar azúcares de cinco carbonos mejorando el rendimiento de la materia prima. Esta capacidad se encuentra a menudo en organismos basados ​​en bacterias [35] . [ cita requerida ]

En la primera década del siglo XXI, se ha descrito que las levaduras modificadas genéticamente fermentan eficientemente la xilosa, [36] [37] y la arabinosa, [38] e incluso ambas juntas. [39] Las células de levadura son especialmente atractivas para los procesos de etanol celulósico porque se han utilizado en biotecnología durante cientos de años, son tolerantes a altas concentraciones de etanol e inhibidores y pueden crecer a valores de pH bajos para reducir la contaminación bacteriana. [ cita requerida ]

Hidrólisis y fermentación combinadas

Se ha descubierto que algunas especies de bacterias son capaces de convertir directamente un sustrato de celulosa en etanol. Un ejemplo es Clostridium thermocellum , que utiliza un celulosoma complejo para descomponer la celulosa y sintetizar etanol. Sin embargo, C. thermocellum también produce otros productos durante el metabolismo de la celulosa, incluidos acetato y lactato , además de etanol, lo que reduce la eficiencia del proceso. Algunos esfuerzos de investigación se dirigen a optimizar la producción de etanol mediante la ingeniería genética de bacterias que se centran en la vía de producción de etanol. [40]

Proceso de gasificación (método termoquímico)

Gasificador de lecho fluidizado en Güssing Burgenland Austria

El proceso de gasificación no depende de la descomposición química de la cadena de celulosa (celulólisis). En lugar de romper la celulosa en moléculas de azúcar, el carbono de la materia prima se convierte en gas de síntesis , mediante lo que equivale a una combustión parcial. El monóxido de carbono, el dióxido de carbono y el hidrógeno pueden entonces introducirse en un tipo especial de fermentador . En lugar de la fermentación del azúcar con levadura, este proceso utiliza la bacteria Clostridium ljungdahlii . [41] Este microorganismo ingiere monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno y produce etanol y agua. El proceso puede dividirse en tres pasos:

  1. Gasificación : Las moléculas complejas basadas en carbono se descomponen para acceder al carbono en forma de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno.
  2. Fermentación: convertir el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y el hidrógeno en etanol utilizando el organismo Clostridium ljungdahlii
  3. Destilación: el etanol se separa del agua.

Un estudio de 2002 descubrió otra bacteria Clostridium que parece ser dos veces más eficiente en la producción de etanol a partir de monóxido de carbono que la mencionada anteriormente. [42]

Como alternativa, el gas de síntesis resultante de la gasificación puede introducirse en un reactor catalítico donde se utiliza para producir etanol y otros alcoholes superiores mediante un proceso termoquímico. [43] Este proceso también puede generar otros tipos de combustibles líquidos, un concepto alternativo demostrado con éxito por la empresa Enerkem, con sede en Montreal, en sus instalaciones de Westbury, Quebec. [44]

Hemicelulosa a etanol

Se están realizando estudios intensivos para desarrollar métodos económicos para convertir tanto la celulosa como la hemicelulosa en etanol. La fermentación de la glucosa, el producto principal del hidrolizado de celulosa, en etanol es una técnica ya establecida y eficiente. Sin embargo, la conversión de la xilosa, el azúcar pentosa del hidrolizado de hemicelulosa, es un factor limitante, especialmente en presencia de glucosa. Además, no se puede ignorar ya que la hemicelulosa aumentará la eficiencia y la rentabilidad de la producción de etanol celulósico. [45]

Sakamoto (2012) et al. muestran el potencial de los microbios modificados genéticamente para expresar enzimas hemicelulasas. Los investigadores crearon una cepa recombinante de Saccharomyces cerevisiae que fue capaz de:

  1. hidrolizar la hemicelulasa mediante la coexhibición de endoxilanasa en su superficie celular,
  2. asimilar xilosa mediante la expresión de la xilosa reductasa y la xilitol deshidrogenasa.

La cepa fue capaz de convertir el hidrolizado de paja de arroz en etanol, que contiene componentes hemicelulósicos. Además, fue capaz de producir 2,5 veces más etanol que la cepa de control, lo que demuestra la gran eficacia del proceso de ingeniería de la superficie celular para producir etanol. [45]

Ventajas

Ventajas generales del combustible etanol

El etanol se quema de forma más limpia y eficiente que la gasolina. [46] [47] Debido a que las plantas consumen dióxido de carbono a medida que crecen, el bioetanol tiene una huella de carbono general menor que los combustibles fósiles. [48] Sustituir el petróleo por etanol también puede reducir la dependencia de un país de las importaciones de petróleo . [49]

Ventajas del etanol celulósico frente al etanol de maíz o de azúcar

Resultados
preliminares de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos sobre la reducción de emisiones de GEI durante el ciclo de vida para diferentes horizontes temporales y enfoques de tasa de descuento [50] (incluye efectos indirectos del cambio de uso de la tierra )

Ruta del combustible100 años +
2%
tasa de descuento		30 años +
0%
tasa de descuento
Etanol de maíz ( molido seco de gas natural ) (1)-16%+5%
Etanol de maíz (mejor caso, NG DM) (2)-39%-18%
Etanol de maíz ( molino seco de carbón )+13%+34%
Etanol de maíz ( molino seco de biomasa )-39%-18%
Etanol de maíz (molino seco de biomasa con
calor y electricidad combinados)		-47%-26%
Etanol de caña de azúcar brasileño-44%-26%
Etanol celulósico a partir de pasto varilla-128%-124%
Etanol celulósico a partir de rastrojo de maíz-115%-116%
Notas: (1) Las plantas de molienda seca (DM) muelen todo el grano y generalmente producen
solo un coproducto primario: granos de destilería con solubles (DGS).
(2) Las plantas en el mejor de los casos producen un coproducto de granos de destilería húmedos.

La producción comercial de etanol celulósico, que a diferencia del maíz y la caña de azúcar no competiría con la producción de alimentos, sería muy atractiva ya que aliviaría la presión sobre estos cultivos alimentarios.

Aunque sus costos de procesamiento son más altos, el precio de la biomasa de celulosa es mucho más barato que el de los granos o las frutas. Además, dado que la celulosa es el componente principal de las plantas, se puede cosechar toda la planta, en lugar de solo la fruta o las semillas. Esto da como resultado rendimientos mucho mejores; por ejemplo, el pasto varilla produce el doble de etanol por acre que el maíz. [51] Los materiales de biomasa para la producción de celulosa requieren menos insumos, como fertilizantes, herbicidas, y sus extensas raíces mejoran la calidad del suelo , reducen la erosión y aumentan la captura de nutrientes. [52] [53] La huella de carbono general y el potencial de calentamiento global del etanol celulósico son considerablemente menores (ver gráfico) [54] [55] [56] y la producción neta de energía es varias veces mayor que la del etanol a base de maíz.

La materia prima potencial también es abundante. Alrededor del 44% de los desechos domésticos generados en todo el mundo consisten en alimentos y verduras. [57] Se estima que cada año se desechan en los Estados Unidos aproximadamente 323 millones de toneladas de materias primas que contienen celulosa y que podrían usarse para crear etanol. Esto incluye 36,8 millones de toneladas secas de desechos de madera urbana, 90,5 millones de toneladas secas de residuos de molienda primaria, 45 millones de toneladas secas de residuos forestales y 150,7 millones de toneladas secas de rastrojo de maíz y paja de trigo. [58] Además, incluso las tierras marginales para la agricultura podrían plantarse con cultivos productores de celulosa, como el pasto varilla, lo que daría como resultado una producción suficiente para sustituir todas las importaciones actuales de petróleo en los Estados Unidos. [59]

El papel, el cartón y los envases suponen alrededor del 17% de los residuos domésticos mundiales [57] , aunque una parte se recicla. Como estos productos contienen celulosa, son transformables en etanol celulósico [58] , lo que evitaría la producción de metano , un potente gas de efecto invernadero, durante la descomposición [60] .

Desventajas

Desventajas generales

La principal desventaja general del combustible de etanol es su menor economía de combustible en comparación con la gasolina cuando se utiliza etanol en un motor diseñado para gasolina con una relación de compresión más baja. [49]

Desventajas del etanol celulósico frente al etanol de maíz o de azúcar

La principal desventaja del etanol celulósico es su alto costo y complejidad de producción, lo que ha sido el principal impedimento para su comercialización. [61] [62]

Ciencias económicas

Aunque el mercado mundial del bioetanol es considerable (alrededor de 110 mil millones de litros en 2019), la gran mayoría se elabora a partir de maíz o caña de azúcar , no de celulosa. [63] En 2007, el coste de producir etanol a partir de fuentes celulósicas se estimó en unos 2,65 dólares estadounidenses por galón (0,58 euros por litro), lo que supone alrededor de 2 a 3 veces más caro que el etanol elaborado a partir de maíz. [64] Sin embargo, el mercado del etanol celulósico sigue siendo relativamente pequeño y depende de los subsidios gubernamentales. [62] El gobierno estadounidense estableció originalmente objetivos de etanol celulósico que aumentarían gradualmente de 1.000 millones de litros en 2011 a 60.000 millones de litros en 2022. [65] Sin embargo, estos objetivos anuales casi siempre se han suspendido después de que quedó claro que no había posibilidad de cumplirlos. [61] La mayoría de las plantas para producir etanol celulósico se cancelaron o abandonaron a principios de la década de 2010. [62] [66] Las plantas construidas o financiadas por DuPont , General Motors y BP , entre muchas otras, fueron cerradas o vendidas. [67] A partir de 2018, solo queda una planta importante en los EE. UU. [62]

Para que se pueda cultivar en gran escala, la biomasa de celulosa debe competir con los usos actuales de las tierras agrícolas, principalmente para la producción de productos agrícolas. De los 2.260 millones de acres (9,1 millones de km2) de tierras no sumergidas de los Estados Unidos , [ 68] el 33% son tierras forestales, el 26% pastizales y praderas, y el 20% tierras de cultivo. Un estudio realizado por los Departamentos de Energía y Agricultura de los Estados Unidos en 2005 sugirió que 1.300 millones de toneladas secas de biomasa están teóricamente disponibles para el uso de etanol, manteniendo al mismo tiempo un impacto aceptable en la silvicultura y la agricultura. [69]

Comparación con el etanol a base de maíz

En la actualidad, la celulosa es más difícil y más cara de procesar para obtener etanol que el maíz o la caña de azúcar. El Departamento de Energía de Estados Unidos estimó en 2007 que producir etanol celulósico cuesta alrededor de 2,20 dólares por galón, lo que supone entre 2 y 3 veces más que el etanol de maíz. Las enzimas que destruyen el tejido de la pared celular de las plantas cuestan 0,40 dólares por galón de etanol, en comparación con los 0,03 dólares del maíz. [64] Sin embargo, la biomasa celulósica es más barata de producir que el maíz, porque requiere menos insumos, como energía, fertilizantes y herbicidas, y se acompaña de una menor erosión del suelo y una mejor fertilidad del mismo. Además, los sólidos no fermentables y no convertidos que quedan después de producir etanol se pueden quemar para proporcionar el combustible necesario para operar la planta de conversión y producir electricidad. La energía utilizada para hacer funcionar las plantas de etanol a base de maíz se deriva del carbón y el gas natural. El Instituto para la Autosuficiencia Local estima que el costo del etanol celulósico de la primera generación de plantas comerciales será de entre 1,90 y 2,25 dólares por galón, sin contar los incentivos. Esto se compara con el costo actual de 1,20 a 1,50 dólares por galón del etanol de maíz y el precio minorista actual de más de 4 dólares por galón de la gasolina regular (que está subsidiada y gravada). [70]

Barrera enzima-costo

Las celulasas y hemicelulasas utilizadas en la producción de etanol celulósico son más caras en comparación con sus contrapartes de primera generación. Las enzimas necesarias para la producción de etanol de grano de maíz cuestan entre 2,64 y 5,28 dólares estadounidenses por metro cúbico de etanol producido. Se proyecta que las enzimas para la producción de etanol celulósico cuesten 79,25 dólares estadounidenses, lo que significa que son entre 20 y 40 veces más caras. [71] Las diferencias de costo se atribuyen a la cantidad requerida. La familia de enzimas de celulasas tiene una magnitud de eficiencia de uno a dos órdenes menor. Por lo tanto, requiere de 40 a 100 veces más de la enzima presente en su producción. Por cada tonelada de biomasa se requieren de 15 a 25 kilogramos de enzima. [72] Las estimaciones más recientes [73] son ​​más bajas, sugiriendo 1 kg de enzima por tonelada seca de materia prima de biomasa. También hay costos de capital relativamente altos asociados con los largos tiempos de incubación para el recipiente que realiza la hidrólisis enzimática. En conjunto, las enzimas comprenden una porción significativa del 20-40% para la producción de etanol celulósico. Un artículo de 2016 [73] estima el rango en el 13-36% de los costos en efectivo, siendo un factor clave la forma en que se produce la enzima celulasa. Para la celulasa producida fuera de las instalaciones, la producción de enzimas representa el 36% del costo en efectivo. Para la enzima producida en el sitio en una planta separada, la fracción es del 29%; para la producción de enzimas integradas, la fracción es del 13%. Uno de los beneficios clave de la producción integrada es que la biomasa en lugar de la glucosa es el medio de crecimiento de la enzima. La biomasa cuesta menos y hace que el etanol celulósico resultante sea un biocombustible 100% de segunda generación, es decir, no utiliza "alimentos como combustible". [ cita requerida ]

Materias primas

En general, hay dos tipos de materias primas: biomasa forestal (leñosa) y biomasa agrícola . En los EE. UU., se pueden producir de manera sostenible anualmente alrededor de 1.400 millones de toneladas secas de biomasa. Alrededor de 370 millones de toneladas o el 30% son biomasa forestal. [74] La biomasa forestal tiene un mayor contenido de celulosa y lignina y un menor contenido de hemicelulosa y cenizas que la biomasa agrícola. Debido a las dificultades y el bajo rendimiento de etanol en la fermentación del hidrolizado de pretratamiento, especialmente aquellos con azúcares de hemicelulosa de 5 carbonos muy altos como la xilosa, la biomasa forestal tiene ventajas significativas sobre la biomasa agrícola. La biomasa forestal también tiene una alta densidad que reduce significativamente el costo de transporte. Se puede cosechar durante todo el año, lo que elimina el almacenamiento a largo plazo. El contenido de cenizas cercano a cero de la biomasa forestal reduce significativamente la carga muerta en el transporte y el procesamiento. Para satisfacer las necesidades de biodiversidad, la biomasa forestal será una importante combinación de suministro de materia prima de biomasa en la futura economía de base biológica. Sin embargo, la biomasa forestal es mucho más recalcitrante que la biomasa agrícola. En 2009, el Laboratorio de Productos Forestales del USDA junto con la Universidad de Wisconsin-Madison desarrollaron tecnologías eficientes [15] [75] que pueden superar la fuerte recalcitrancia de la biomasa forestal (leñosa), incluidas las de especies de madera blanda que tienen un bajo contenido de xilano. El cultivo intensivo de rotación corta o la agricultura de árboles puede ofrecer una oportunidad casi ilimitada para la producción de biomasa forestal. [76]

Las astillas de madera procedentes de los troncos y las copas de los árboles, el aserrín de los aserraderos y la pulpa de papel usada son materias primas de biomasa forestal para la producción de etanol celulósico. [77]

El pasto varilla ( Panicum virgatum ) es una hierba alta nativa de las praderas . Conocida por su resistencia y rápido crecimiento, esta planta perenne crece durante los meses cálidos hasta alcanzar alturas de 2 a 6 pies. El pasto varilla se puede cultivar en la mayor parte de los Estados Unidos, incluidos pantanos, llanuras, arroyos y a lo largo de las costas y las carreteras interestatales . Se auto-siembra (no se necesita tractor para sembrar, solo para cortar), es resistente a muchas enfermedades y plagas y puede producir altos rendimientos con pocas aplicaciones de fertilizantes y otros productos químicos. También es tolerante a suelos pobres, inundaciones y sequías; mejora la calidad del suelo y previene la erosión debido a su tipo de sistema de raíces. [78]

El pasto varilla es un cultivo de cobertura aprobado para tierras protegidas bajo el Programa de Reserva de Conservación (CRP) federal. El CRP es un programa gubernamental que paga a los productores una tarifa por no cultivar cultivos en tierras en las que recientemente se cultivaron cultivos. Este programa reduce la erosión del suelo, mejora la calidad del agua y aumenta el hábitat de la vida silvestre. Las tierras del CRP sirven como hábitat para la caza de tierras altas, como faisanes y patos, y una serie de insectos. Se ha considerado el uso de pasto varilla para la producción de biocombustibles en tierras del Programa de Reserva de Conservación (CRP), lo que podría aumentar la sostenibilidad ecológica y reducir el costo del programa CRP. Sin embargo, las reglas del CRP tendrían que modificarse para permitir este uso económico de las tierras del CRP. [78]

Miscanthus × giganteus es otra materia prima viable para la producción de etanol celulósico. Esta especie de hierba es originaria de Asia y es un híbrido estéril de Miscanthus sinensis y Miscanthus sacchariflorus . Tiene un alto rendimiento, es barata de cultivar y prospera en una variedad de climas. Sin embargo, debido a que es estéril, también requiere propagación vegetativa , lo que la hace más cara. [79]

Se ha sugerido que el kudzu puede convertirse en una valiosa fuente de biomasa. [80]

Comercialización de etanol celulósico

Impulsado por subsidios y subvenciones, un auge en la investigación de etanol celulósico y plantas piloto ocurrió a principios de la década de 2000. Empresas como Iogen , POET y Abengoa construyeron refinerías que pueden procesar biomasa y convertirla en etanol, mientras que empresas como DuPont , Diversa , Novozymes y Dyadic invirtieron en investigación de enzimas. Sin embargo, la mayoría de estas plantas fueron canceladas o cerradas a principios de la década de 2010 debido a que los obstáculos técnicos resultaron demasiado difíciles de superar. A partir de 2018, solo una planta de etanol celulósico permaneció operativa. [62]

A finales de la década de 2010, varias empresas intentaron ocasionalmente esfuerzos a menor escala para comercializar etanol celulósico, aunque tales emprendimientos generalmente permanecen en escalas experimentales y a menudo dependen de subsidios. Las empresas Granbio, Raízen y el Centro de Tecnologia Canavieira operan cada una una instalación a escala piloto en Brasil, que juntas producen alrededor de 30 millones de litros en 2019. [81] Iogen , que comenzó como fabricante de enzimas en 1991 y se reorientó para centrarse principalmente en el etanol celulósico en 2013, posee muchas patentes para la producción de etanol celulósico [82] y proporcionó la tecnología para la planta de Raízen. [83] Otras empresas que desarrollan tecnología de etanol celulósico a partir de 2021 son Inbicon (Dinamarca); las empresas que operan o planean plantas de producción piloto incluyen New Energy Blue (EE. UU.), [84] Sekab (Suecia) [85] y Clariant (en Rumania). [86] Abengoa, una empresa española con activos de etanol celulósico, se declaró insolvente en 2021. [87]

La Agencia Australiana de Energía Renovable , junto con los gobiernos estatales y locales, financió parcialmente una planta piloto en 2017 y 2020 en Nueva Gales del Sur como parte de los esfuerzos para diversificar la economía regional más allá de la minería de carbón. [88]

Apoyo del gobierno de EE.UU.

A partir de 2006, el gobierno federal de los Estados Unidos comenzó a promover el desarrollo de etanol a partir de materias primas celulósicas. En mayo de 2008, el Congreso aprobó una nueva ley agrícola que contenía fondos para la comercialización de biocombustibles de segunda generación , incluido el etanol celulósico. La Ley de Alimentos, Conservación y Energía de 2008 preveía subvenciones que cubrían hasta el 30% del costo de desarrollo y construcción de biorrefinerías a escala de demostración para producir "biocombustibles avanzados", lo que incluía efectivamente todos los combustibles no producidos a partir de almidón de grano de maíz. También permitía garantías de préstamos de hasta 250 millones de dólares para construir biorrefinerías a escala comercial. [89]

En enero de 2011, el USDA aprobó 405 millones de dólares en garantías de préstamos a través de la Ley Agrícola de 2008 para apoyar la comercialización de etanol celulósico en tres instalaciones propiedad de Coskata , Enerkem e INEOS New Planet BioEnergy. Los proyectos representan una capacidad de producción combinada de 73 millones de galones estadounidenses (280.000 m3 ) por año y comenzarán a producir etanol celulósico en 2012. El USDA también publicó una lista de productores de biocombustibles avanzados que recibirán pagos para expandir la producción de biocombustibles avanzados. [90] En julio de 2011, el Departamento de Energía de los EE. UU. otorgó 105 millones de dólares en garantías de préstamos a POET para una planta a escala comercial que se construirá en Emmetsburg, Iowa . [91]

Véase también

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  • El camino del etanol celulósico está pavimentado con diversas tecnologías Archivado el 28 de octubre de 2010 en Wayback Machine
  • La transición al etanol de segunda generación
  • El USDA y el DOE publican el Plan de Acción Nacional sobre Biocombustibles
  • Comercialización de etanol celulósico
  • La producción de etanol celulósico podría “explotar”
  • Poeta produce etanol celulósico a escala piloto
  • EEUU podría recibir más apoyo para plantas de etanol
  • Shell impulsa el etanol celulósico con un nuevo acuerdo con Codexis
  • Enerkem construirá una planta de etanol celulósico en EE.UU.
  • La producción de etanol podría alcanzar los 90 mil millones de galones en 2030 | respaldado por Sandia National Laboratories y GM Corp.
  • Estudio de los Laboratorios Nacionales Sandia y GM: formato PDF de hitectransportation.org
  • El combustible de pasto varilla produce abundante energía [usurpado] .
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Lectura adicional

  • Mansoori GA, Enayati N, Agyarko LB (2016). Energía: fuentes, utilización, legislación, sostenibilidad, Illinois como estado modelo. World Sci. Pub. Co. doi :10.1142/9699. ISBN 978-981-4704-00-7.
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