Autores: Alexander Uriel Valle Pérez, Jorge Arturo González Ríos
En la primera parte de este artículo, escribimos sobre la importancia de promover un desarrollo sostenible tanto a nivel social como industrial. En esta sostenibilidad, el papel de la bioeconomía es importante pues establece los criterios para la gestión de los recursos naturales. Describimos la importancia de la biorrefinación como alternativa al uso de combustibles fósiles y el papel de México en esta iniciativa. En ésta, las bioferinerias son tipos específicos de industria que da origen a productos sostenibles. En esta segunda parte, explicaremos sobre el proceso de producción de bioetanol de segunda generación, donde el procesamiento de residuos lignocelulósicos (como pastos, rastrojos, bagazos y maderas) son utilizados para generar un producto de alto valor agregado que es usado en la industria química, de alimentos, y energética.
Elaboración de los biocombustibles 2G
La producción de biocombustibles de segunda generación (biocombustibles 2G) a partir de biomasa consta de cuatro etapas: pretratamiento (se prepara la biomasa), sacarificación (se agregan enzimas a la biomasa), fermentación (se agregan microorganismos que producen el bioetanol) y destilación (se separa el biocombustible de contaminantes); en la imagen 1 se resume el proceso para producir bioetanol 2G.
Imagen 1. Etapas del proceso general para producir bioetanol 2G. Dibujado con información de Vasco-Correa et al., 2016.
Imagen 2. Origen de la biomasa lignocelulósica. Dibujado con información de Robak and Balcerek, 2018.
Este procedimiento utiliza biomasa lignocelulósica que se obtiene de residuos agroindustriales (bagazo de agave, rastrojo de maíz, paja de trigo y bagazo de caña, entre otros), los cuales resultan ventajosos al carecer de valor económico para esta industria, pues son considerados desechos. Algunos tipos de biomasa1 se pueden observar en la imagen 2. Los residuos lignocelulósicos son además una de las biomasas más abundantes a nivel mundial, ya que se producen anualmente 20x109 toneladas de estos residuos como parte de la agricultura.
Pretratamiento
La biomasa lignocelulósica está compuesta por una matriz conformada de lignina, celulosa y hemicelulosa. La etapa inicial del proceso es conocida como pretratamiento. En ésta se busca romper la matriz de la biomasa para aumentar la disponibilidad de celulosa y hemicelulosa, que es de importancia en etapas posteriores para obtener mayor cantidad de azúcares como glucosa y xilosa. Los diferentes componentes de la biomasa2 se muestran en la imagen 2. El pretratamiento puede ser de distintos tipos, como pueden ser: hidrotérmico, orgánico, bioquímico, mecánico y biológico, entre otros. Cada tipo de pretratamiento ofrece distintas ventajas y desventajas, entre las que se encuentran la remoción de lignina para reducir inhibiciones durante la sacarificación, menor uso de agua, o menor uso de solventes agresivos. Sin embargo, también resultan en la producción de coproductos como el furfural e hidroximetilfurfural (HMF).
Imagen 2. Componentes de la biomasa lignocelulósica. Dibujado con información de Vasco-Correa et al., 2016.
Sacarificación
La segunda etapa del proceso es la sacarificación, donde la celulosa y hemicelulosa son despolimerizadas a azúcares sencillos (monosacáridos) como lo son la glucosa y xilosa. En esta etapa del proceso la biomasa es hidrolizada por medio de cócteles enzimáticos que, debido a su alto costo, plantean un reto en el proceso de producción de bioetanol de segunda generación. Los cócteles enzimáticos pueden ser comprados a compañías internacionales o producidos a partir de la mezcla de enzimas provenientes de distintas cepas de hongos filamentosos y algunas bacterias.
Fermentación
La tercera etapa del proceso es la fermentación. En ésta se emplean microorganismos como las levaduras, que consumen la glucosa disponible en la biomasa y producen bioetanol (biocombustible de segunda generación) a partir de un proceso conocido como fermentación alcohólica. Esta etapa del proceso supone además un reto, puesto que el comportamiento fermentativo de muchas levaduras a escala laboratorio no siempre es similar a nivel piloto, por tanto, ciertos ajustes deben ser aplicados para su correcto escalamiento. Nuevas estrategias se investigan para incrementar la carga de sólidos (biomasa) suministrada al biorreactor, y de esa forma aumentar los niveles de bioetanol obtenible de la fermentación. Además, nuevas levaduras han sido generadas a partir de modificaciones genéticas con la finalidad de optimizar el consumo de glucosa, su principal fuente de carbono, así como la incorporación de genes que permitan el consumo de fuentes de carbono alternativas tales como xilosa.
Destilación
La etapa final del proceso es la destilación, en la que el extracto constituido por la mezcla de bioetanol, agua y otras sustancias provenientes de la fermentación son sometidas a un proceso de separación. Esto se logra por medio de columnas que separan sustancias volátiles a altas presiones y temperaturas. Esta etapa permite la obtención de un biocombustible puro y cristalino, que puede ser suministrado a vehículos híbridos o, conforme algunas normas, alimentado en una relación estandarizada de biocombustible-hidrocarburo a otros tipos de vehículos.
Aunque los biocombustibles de segunda generación como el bioetanol plantean una alternativa a la reducción de gases de efecto invernadero resultantes del uso de hidrocarburos (gasolina), aún existen retos por resolver a lo largo del proceso necesarios para mejorar su rentabilidad.
CEMIE-BIO alcoholes
En respuesta a la creciente necesidad de incorporar nuevos tipos de bioenergía en México, se estructuró el Centro Mexicano de Innovación en Bioenergía (CEMIE-BIO), que busca el desarrollo y la incorporación de tecnología innovadora, así como de conocimiento científico para la producción de biocombustibles en México. El proyecto busca consolidar y transferir a corto plazo tecnologías para el sector industrial en la producción de bioetanol lignocelulósico 2G, como lo describe su coordinador, el Dr. Arturo Sánchez Carmona.
El CEMIE-BIO es un clúster conformado por distintas unidades de investigación e instituciones de educación superior, como lo son: CINVESTAV, CIATEJ, UNAM, UADEC, UGTO, UAG, IPICYT, UAM y la UADY. El clúster incluye 10 grupos de investigadores y tecnólogos mexicanos de excelencia, así como a 7 empresas relacionadas con la producción de bioalcoholes en México. El clúster también colabora con grupos de investigación extranjeros pertenecientes a la Universidad de Oxford en Inglaterra, la Universidad de Concepción en Chile, la Universidad de Alberta en Canadá, así como la Universidad de Campinas en Brasil.
Imagen 4. CEMIE-BIO. Fuente: https://cemiebioalcoholes.org/proyecto/
Las principales líneas de investigación del proyecto se centran en: el pretratamiento hidrotérmico con un reactor tubular continuo para autohidrólisis en capacidad de 30 kg/h en base seca, la sacarificación enzimática con reactor tubular continuo, la fermentación continua de C6 con levaduras propias para maximizar rendimientos en la producción de alcohol, producción de bioetanol lignocelulósico 2G, producción de biobutanol avanzado 2G, producción de bioetanol lignocelulósico 4G, diseño conceptual y análisis de rentabilidad de una biorrefinería con capacidad de 500 ton/día, análisis de ciclo de vida, la coproducción de electricidad y biogas, entre otras investigaciones. Sin embargo, nuevas y más modernas opciones para la producción de biocombustibles como los combustibles 3G (aceites a partir de microalgas) y 4G (utilizando microorganismos genéticamente modificados) se encuentran en desarrollo. En un futuro cercano, el clúster busca poner la investigación y tecnología desarrollada al servicio de la sociedad mexicana. La investigación sobre el desarrollo de la bioenergía en México tiene el potencial de mitigar daños causados en el planeta, así como de revolucionar el uso de hidrocarburos (como la gasolina) en México.
Referencias
1. Robak Katarzyna and Maria Balcerek. (2018). “Review of Second Generation Bioethanol Production from Residual Biomass”. Food Technology and Biotechnology 56(2): s174–187. Recuperado de https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6117988/
2. Vasco-Correra, X. Ge. and Y. Li. (2016). “Chapter 24-Biological Pretreatment of Lignocellulosic Biomass”. Biomass Fractionation Technologies for a Lignocellulosic Feedstock Based Biorefines: s561–585. Recuperado de https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128023235000244
Acerca de los autores
Alexander Uriel Valle Pérez: Es estudiante de la carrera de Ingeniería en biotecnología en ITESM campus Guadalajara. También participó en otras investigaciones relacionadas a la producción de bioenergía en centros de investigación científica como Cinvestav y Ciatej. Le encanta entrenar crossfit, ver películas de Hayao Miyazaki, dibujar a tinta china y escuchar música de Tchaikovsky, así como estudiar chino mandarín (4 años) y alemán (2 años).
Jorge Arturo González Ríos: Es Químico por la Universidad de Guanajuato y Maestro en Ciencias Bioquímicas por Universidad Nacional Autónoma de México. Actualmente es estudiante de doctorado en el Laboratorio de Futuros en Bioenergía del CINVESTAV-Unidad Guadalajara. Como pasatiempo gusta de escuchar música en vivo, tomar fotografías, hacer caminatas y cocinar.
Editores: Emiliano Cantón, Ximena Bonilla