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Ingeniería

La ruta enzimática

Nuevos procesos de pre-tratamiento del bagazo de la caña de azúcar facilitan la producción de etanol de segunda generación

EDUARDO CESARLa fermentación del jugo de la caña de azúcar es aún hoy en día la mejor vía para la obtención de alcohol combustible, un producto cuya oferta puede incrementarse, incluso sin expandir el área de cultivo. Este es un reto que Brasil debe vencer, si es que pretende dar cuenta de la creciente demanda externa de etanol. Y tal demanda en aumento es una posibilidad que se abrió de manera más clara debido a un estudio anunciado a comienzos de febrero por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, sigla en inglés), que demuestra que el etanol de caña de azúcar es un biocombustible avanzado, capaz de reducir las emisiones de gases nocivos causantes del efecto invernadero hasta un 61% si se lo compara con la gasolina. Una solución consiste en aprovechar el azúcar contenido en el bagazo y en la paja de la caña (las hojas de la planta que quedan en el campo después de la zafra), además del existente en el jugo que se emplea en la producción actual, para fabricar el llamado etanol celulósico. El gran obstáculo tecnológico que ha de sortearse reside en que el azúcar de la celulosa del bagazo, y el de otras biomasas, está organizado en grandes estructuras llamadas polisacáridos, que las levaduras no logran fermentar directamente para convertirlos en etanol. Para facilitar la etapa de conversión química de la celulosa en glucosa, denominada hidrólisis, dos grupos de investigación brasileños, uno coordinado por los profesores Rubens Maciel Filho y Aline Carvalho Costa, de la Facultad de Ingeniería Química (FEQ) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), y otro por el profesor Adilson Roberto Gonçalves, de la Escuela de Ingeniería de Lorena (EEL) de la Universidad de São Paulo (USP), en colaboración con la Universidad Federal de Pernambuco (Ufpe), desarrollaron distintos procesos de pre-tratamiento de la biomasa –uno a temperatura ambiente y otro con tratamiento térmico de vapor– para separar los tres componentes que forman las paredes celulares de las plantas –la celulosa, la hemicelulosa y la lignina– que se encuentran interconectados y contribuyen para darle la textura rígida a los vegetales.

En el proceso que desarrolló el grupo de investigación de Rubens Maciel, que cuenta con la participación de la profesora Aline Carvalho da Costa y de la doctoranda Sarita Cândida Rabelo, ambas de la FEQ-Unicamp, la separación de los componentes se hace mediante el empleo un producto químico llamado peróxido de hidrógeno, que en solución acuosa es más conocido como agua oxigenada, a temperatura ambiente. “Se pone en contacto el peróxido de hidrógeno con el bagazo, que no debe pasar por ninguna etapa previa de tratamiento antes de su utilización”, dice el investigador. El producto ataca a la estructura vegetal de manera tal que permite la liberación de la celulosa y la hemicelulosa en forma líquida y también disuelve la lignina, que posteriormente es recuperada para otros usos, que van desde la fabricación de productos químicos hasta la generación de energía mediante la quema en calderas. La celulosa es un polisacárido formado por monómeros de glucosa, estructuras con seis átomos de carbono unidos entre sí. Cuando pasa por el proceso de hidrólisis, libera esos monómeros, que pueden ser fermentados fácilmente por las levaduras. La hemicelulosa tiene en su estructura monómeros de pentosas, que son azúcares de cinco carbonos. Es más difícil convertir estos azúcares en etanol con los microorganismos actualmente disponibles para la fermentación. En tanto, la lignina es una macromolécula orgánica compleja que une a las fibras celulósicas, con lo cual aumenta la rigidez de la pared vegetal.

“La ventaja del proceso que desarrollamos radica en que se hace a temperatura ambiente, con un tiempo muy rápido de operación: alrededor de una hora”, dice Maciel. Además, no genera residuos que contaminen el ambiente. “Es un proceso de bajo costo debido a la rapidez con que el peróxido desmonta la estructura lignocelulósica, sin ningún gasto energético”. El pre-tratamiento es una operación auxiliar que se destina a desmontar la estructura vegetal, para que el material celulósico quede disponible para ser hidrolizado por microorganismos capaces de extraer la glucosa de la celulosa para la producción de etanol. “Es sumamente importante dejar el material celulósico preparado para que durante la fase de hidrólisis se requiera la menor cantidad posible de enzimas, a los efectos de que los costos de esta etapa se reduzcan y el proceso tenga aceptación comercial”, dice Maciel. Las enzimas son proteínas producidas por hongos, bacterias y plantas, capaces de producir reacciones químicas específicas sin sufrir alteraciones en su composición. Una de las más empleadas actualmente para la producción de etanol –y elegida para testear el proceso de pre-tratamiento debido a su eficacia– es la fabricada por la empresa Novozymes, una multinacional danesa que produce enzimas industriales empleadas en detergentes y biocombustibles, y en la fabricación de alimentos, entre otros productos. La producción de enzimas destinadas a la fabricación de etanol también forma parte de una de las líneas de investigación llevada adelante en la Facultad de Ingeniería Química de la universidad. El objetivo es llegar a una enzima del propio bagazo, de manera tal de eliminar la etapa de purificación, que encarece el producto final.

“Nuestro proceso permite la obtención de etanol de biomasa con una baja carga enzimática, cosa que reduce considerablemente los costos de producción”, dice Maciel. Debido a todas estas innovaciones, como en el caso de la materia prima barata para deconstrucción de la estructura vegetal, este proceso redundó en un depósito de patente en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) por parte de la Agencia de Innovación (Inova) de la Unicamp. “El avance de nuestro proceso de pre-tratamiento radica en el uso del peróxido de hidrógeno, sumado a las condiciones operativas, tales como la temperatura y el tiempo de operación, que están protegidas por la patente”, dice. Con este proceso, que hasta la fase actual ha demostrado ser bastante factible para su aplicación en gran escala, el grupo ha logrado que todo el azúcar existente en el bagazo quede disponible para su fermentación. “Sin los procesos de pre-tratamiento, tan sólo el 9% del azúcar contenido en el bagazo se transforma en etanol.”

EDUARDO CESAREn escala semi-industrial
Por ahora las pruebas han venido haciéndose en escala de laboratorio. “Pero, como se trata de un proceso que utiliza un reactor, que es un tanque agitado, que ya lo conocemos muy bien a causa de otros procesos realizados dentro de industrias químicas, petroquímicas y de biotecnología, no vemos problemas en pasar a una escala mayor”. Una de las próximas etapas consistirá en probar el proceso en una planta piloto en escala semi-industrial.  La misma ya se encuentra en construcción en las instalaciones del Centro de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (CTBE), vinculado al Ministerio de Ciencia y Tecnología, en Campinas, interior paulista. Las mismas instalaciones serán utilizadas por el grupo de investigación coordinado por el profesor Adilson Roberto Gonçalves, líder de investigación del grupo de Conversión de Biomasa Vegetal de la Escuela de Ingeniería de Lorena (EEL) de la USP, para probar en gran escala el proceso desarrollado para extraer etanol de la celulosa, basado en un tratamiento térmico de vapor que rompe la estructura rígida de la biomasa para que los polisacáridos queden a disposición de las levaduras.

El bagazo dispuesto dentro de un reactor cerrado es impregnado con vapor de agua, en temperaturas que varían de 170 a 190 grados Celsius, durante siete minutos. Este sistema tiene en una de las salidas una válvula de apertura, que al abrírsela rápidamente promueve una descompresión súbita, un proceso llamado explosión de vapor. Este procedimiento es empleado en una central de la región de Ribeirão Preto, en el interior paulista, para hacer alimento para ganado a base de bagazo de caña. “La desestructuración del bagazo, en ese caso, se hace para ayudar a los animales en la digestión”, dice Gonçalves. Pero no se la había usado aún para la producción de etanol. La profesora Ana Maria Souto Mayor, de la Universidad Federal de Pernambuco, colabora en el proyecto chequeando algunas condiciones del proceso adaptado al etanol en un reactor utilizado en investigaciones del proyecto Bioetanol, financiado por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep). Una de las alumnas de doctorado de Gonçalves, Priscila Maziero, hará una pasantía en la Universidad de Lund, Suecia, para estudiar procesos de hidrólisis para residuos agrícolas. Recientemente, Priscila pasó dos semanas en la Ufpe siguiendo de cerca las pruebas.

Lo que surge del pre-tratamiento térmico es una mezcla sólida: la lignocelulosa, compuesta de celulosa y lignina, con líquido (una solución acuosa de componentes de la hemicelulosa). Luego se somete a la lignocelulosa a una etapa de extracción química para remover la lignina, y entonces queda solamente la celulosa. Estudios realizados por el grupo, que involucran el empleo de microscopía electrónica y refracción de luz en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), en Campinas, con la colaboración del profesor Igor Polikarpov, del Instituto de Física de la USP de la localidad paulista de São Carlos, demostraron –si bien aún dependen de análisis finales– que la hidrólisis directa del material lignocelulósico compromete el trabajo das enzimas. “Entonces decidimos incorporar una etapa de deslignificación alcalina, que resulta en la remoción de la lignina, similar a la utilizada en los procesos tendientes a la obtención de pulpa de celulosa para la fabricación de papel”, dice Gonçalves. A tal fin, se emplea una base, que en laboratorio es de hidróxido de sodio, pero que en la industria puede reemplazárselo con cal, dependiendo de los costos. “Pero nuestra condición de deslignificación alcalina es suave, con soluciones que contienen alrededor de un 1% de hidróxido de sodio, mientras que en el proceso de pulpación celulósica las cargas llegan al 20%”, informa Gonçalves, quien contó con la colaboración del profesor George Jackson Rocha, también de la EEL. Con la remoción de la lignina, la celulosa está lista para ser sometida a la hidrólisis enzimática. Las enzimas que emplean también son de Novozymes. “El origen de la celulosa que será degradada no redunda en demasiadas diferencias en el resultado final, no así en lo que se refiere a la enzima empleada”, dice el investigador.

El foco inicial de ambos proyectos fue el bagazo proveniente de la molienda de la caña. Aunque una parte actualmente se quema dentro de las centrales, los cálculos apuntan que existe todavía un excedente del 30% de esa biomasa. Pero nada impide que los dos procesos de pre-tratamiento se utilicen también en el procesamiento de la paja de la caña que queda en el suelo durante la zafra. “Con la prohibición de la quema, la tendencia apunta que la paja también se agregará al bagazo y que esa biomasa se empleará para complementar la producción de combustibles líquidos”, dice Maciel. Por ahora, no existe una estructura que se destine a levantar la paja en el campo. Una parte se arroja picada como cobertura en la tierra y la otra carece de utilidad. “Existe un desafío tecnológico que deberá vencerse para que la paja no siga pudriéndose en el campo”, dice Gonçalves.

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