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Energía

Alcohol de celulosa

El bagazo y la paja de caña se cotizan para incrementar la producción de etanol.

La palabra etanol entró efectivamente en la orden del día. Desde que el informe sobre el clima del planeta se dio a conocer, a comienzos de febrero pasado, mostrando que es necesario reducir las emisiones de gases originados en la quema de combustibles fósiles, se intensificó la carrera para sustituir parcialmente la gasolina,  un combustible fósil, por el alcohol, una fuente renovable y menos contaminante. Una preocupación mundial que en Brasil se tiene en consideración desde hace más de 30 años. El país produce actualmente cerca de 16 mil millones de litros de etanol combustible, lo que representa un 35% del total mundial. Como hoy en día solamente un tercio de la biomasa contenida en la plantación de caña es aprovechado para la producción de azúcar y de etanol, el gran desafío es transformar la celulosa, que está en el bagazo y en la paja descartada en la zafra, en alcohol combustible. Hay un estudio en marcha que señala un aumento de etanol combustible de cerca 15 a 20 mil millones de litros por años producidos actualmente a 200 mil millones de litros en 20 años, dice el ingeniero químico Carlos Eduardo Vaz Rossell, investigador del Núcleo Interdisciplinario de Planificación Energética (Nipe) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). Es posible hacer eso de forma sostenible, sin avanzar sobre los bosques y los cultivos alimentarios.

Uno de los estudios que pretende hacer factible la producción de alcohol por la vía del bagazo y de la paja, a la que el investigador se refiere, forma parte del Proyecto Bioetanol, que tiene como objetivo desarrollar la hidrólisis enzimática en Brasil, una de  las vías para la obtención de etanol. Los investigadores involucrados en el  proyecto, con duración de dos años y medio, del cual Rossell forma parte, coordinado por el profesor Rogério Cezar de Cerqueira Leite, del Nipe, y apoyado por la Financiera de Estudios y Proyectos (Finep), del Ministerio de la Ciencia y Tecnología, con un  valor de 3.7 millones de reales, esperan obtener el etanol por la vía enzimática utilizando celulosas, enzimas producidas por microorganismos capaces de separar el azúcar de la celulosa, que será transformado en alcohol combustible después del proceso  de fermentación. En paralelo al desarrollo de la  hidrólisis enzimática, también son hechos  estudios para evaluar los impactos del aumento de la producción de etanol, con investigaciones sobre metas agrícolas, económicas, sociales y ambientales, además de los procesos industriales. El proyecto reúne una red nacional de investigadores de 15 universidades e institutos de investigación, como Unicamp, Universidad Federal de Río de Janeiro, Universidad de Brasilia, Universidad de São Paulo, Universidad Federal de Pernambuco, Centro de Tecnología Cañera (CTC), una asociación mantenida por productores de la caña de azúcar, Instituto de Investigaciones Tecnológicas, además de la  Universidad de Lund, en Suecia.

Para alcanzar  la meta de 200 mil millones de litros por año, la producción de etanol combustible, que hoy está más enfocada en el Centro-Sur de Brasil, sería extendida para otras regiones, como el Norte y el Nordeste. Con eso, el país tendría condiciones de suprimir parte del mercado internacional de etanol, pudiendo sustituir de 5% a 10% de la gasolina utilizada actualmente en el mundo. En el 2002, el mercado mundial de ese combustible derivado del petróleo fue de cerca de 1.17 mil billones de litros. Si  Brasil produjera 150 mil millones de litros de etanol podría suprimir la demanda del 10% de ese mercado. Además de sustituir parte del petróleo, el etanol tiene  a su favor el hecho  de que no contribuye al efecto invernadero, porque el dióxido de carbono, principal gas de ese fenómeno, liberado por la combustión del  alcohol en  un año, es reabsorbido por las plantas en la zafra siguiente.

El aprovechamiento de la biomasa de la caña va a contribuir a eliminar el problema de las quemadas, porque hoy solamente algunas centrales  aprovechan parte del bagazo para la generación de energía en generadores específicos. La paja, en el corte mecanizado, es picada y tirada como cobertura en el suelo, pero el exceso ha causado serios problemas de plagas que proliferan en ambientes húmedos y protegidos. Los estudios conducidos en el ámbito del Proyecto Bioetanol señalan que una destilería que produce actualmente 1 millón de litros de etanol por día del jugo de la caña podría inicialmente, con la tecnología de la hidrólisis, producir un adicional de 150 mil litros de etanol del bagazo. En el 2025, con la técnica bien optimizada, la misma producción tendría un crecimiento de 400 mil litros provenientes del bagazo recuperado.

Enzima en la biomasa
El estimado de la  producción futura podrá ser ampliada conforme a los nuevos avances científicos y tecnológicos que sean incorporados a los procesos de hidrólisis de la celulosa para la obtención de etanol. El  desarrollo de enzimas eficientes para procesar el bagazo y la paja de caña es una de las vías para salir del actual nivel de producción sin necesitar aumentar el área plantada. Es posible aprovechar de forma integral esas biomasas residuales para la producción de etanol, tanto de la fracción celulósica como de la hemicelulósica, un compuesto del  grupo químico de los azúcares presente entre las fibras de la celulosa. Ese fue el camino escogido por el profesor Nei Pereira Jr., coordinador de post-graduación en Tecnología de Procesos Químicos y Bioquímicos del Centro de Tecnología de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) y coordinador de un proyecto desarrollado en sociedad con Petrobras para la transformación de la celulosa en el azúcar. Estamos produciendo 198 litros de etanol por cada tonelada de bagazo, dice Pereira Jr.

La tecnología en desarrollo adopta el modelo de las dos corrientes, produciendo etanol tanto del hidrolizado ácido de la fracción hemicelulósica como del hidrolizado enzimático de la fracción celulósica. Los resultados fueron obtenidos en el laboratorio con reactores de hasta 10 litros. Una planta piloto con capacidad de procesamiento de 2 mil toneladas por día de bagazo está en construcción en la UFRJ para los exámenes en mayor escala. Esperamos llegar a los 260 litros de etanol por cada tonelada de caña en la planta piloto, dice el investigador. EL mismo proceso puede ser aplicado a otras biomasas residuales, como el sabugo y paja de maíz, restos de madera, de papel desechable y otros materiales. La producción en escala industrial depende de los resultados obtenidos en la planta piloto. Ese es el gran desafío, pasar de la escala de laboratorio para la producción comercial. Hasta ahora ningún país llegó a una escala industrial en el empleo de la tecnología de transformación de la celulosa en etanol.

Los Estados Unidos, por ejemplo, están apostando  fuertemente en la ruta de transformación de la celulosa en etanol. Allá, ellos esperan extraer alcohol del sabugo y de la paja de maíz, residuos desechables del aprovechamiento del grano usado para la obtención de etanol, además de otros productos como paja de trigo, restos de madera y de una gramínea llamada switchgrass. La más reciente carta de los norteamericanos  fue el anuncio, al final de febrero, de una inversión del Departamento de Energía de 385 millones de dólares, en cuatro años, para la construcción de seis bio-refinerías para producción de etanol vía celulosa. Cuando estén listas, en el 2012, funcionando en gran parte con el método de hidrólisis enzimática, deben producir cerca de 492 millones de litros de etanol. Los Estados Unidos quieren reducir en 20% el consumo de gasolina hasta el 2017, cuando el plan del  gobierno prevé la producción de 132 mil millones de litros.

Una de las diferencias entre la producción estadounidense y la brasileña es que aquí el etanol de celulosa va a agregar millones o miles de millones de litros al alcohol producido de la sacarosa que ya es distribuido hoy en los puestos de combustible del país. En los proyectos existentes en el mundo para el  aprovechamiento de la celulosa no hay ese aumento proporcionado por la caña de azúcar. Otra  diferencia a favor de Brasil está en el  costo de producción del etanol entre los dos países. Mientras el del maíz de los Estados Unidos queda en 0.39 dólares el litro, el del jugo de caña cuesta 0.21 dólares.

El  aprovechamiento del bagazo y de la paja de caña todavía merece muchos estudios. Ellos son materiales constituidos por celulosa, un polímero de la glucosa formado por seis carbonos, las hexosis; por hemicelulosa, compuesta por azúcares de cinco carbonos, llamados pentosis, no aprovechado todavía para la producción de azúcar; y por la lignina, un material estructural de la planta, asociado a las paredes vegetal celular, responsable de la rigidez, impermeabilidad y resistencia a ataques microbiológicos y mecánicos a los tejidos vegetales. Para que las biomasas puedan ser utilizadas como materias primas para procesos químicos y biológicos que ellas necesitan ser sometidas a un pre-tratamiento para desorganizar el complejo lignocelulósico. La lignina es el gran obstáculo en todo ese proceso. El rompimiento de ese componente libera fenoles y otros productos químicos que inhiben el proceso fermentativo.

Sólo después de ser hecho el pre-tratamiento del material se aplica una de las dos vías de transformación de la celulosa en el azúcar para la obtención del etanol. El azúcar obtenido sirve como bloques de construcción (substratos) para la producción de  alcohol combustible y de varias sustancias químicas. Con eso es posible sustituir los hidrocarburos derivados del petróleo por carbohidratos provenientes de las biomasas en varios procesos de transformación industrial, dice Pereira Jr., ganador del Premio Abiquim de Tecnología 2006 en la categoría investigador, concedido por la Asociación Brasileña de la Industria Química, con el  trabajo Biotecnología de materiales lignocelulósicos para la producción química.

En el final del proceso para la obtención del etanol de celulosa todavía sobra la lignina, que puede ser usada para producir energía. El calor de combustión de la lignina es 3.5 veces mayor que el del propio bagazo de la caña, dice el investigador, que desde el final de la década de 1980 estudia el aprovechamiento de las biomasas de residuos. Ese fue el tema de su tesis de doctorado defendida en Inglaterra en 1990. Desde entonces, el asunto estuvo presente en 26 de los 63 trabajos de maestría y doctorado orientados por Pereira Jr. La tecnología desarrollada en sociedad con Petrobras dio lugar a dos pedidos de patente. Uno es del pretratamiento y la fermentación del hidrolizado hemicelulósico y el otro trata del proceso de sacarificación y fermentación simultáneas de la fracción celulósica.

Planta piloto
La ruta de hidrólisis ácida también fue el camino escogido por el grupo industrial Dedini, de Piracicaba, en el proyecto desarrollado en sociedad con el CTC, coordinado por Rossell (lea , de julio de 2002) y financiado por la FAPESP. Denominado Dedini Hidrólisis Rápida (DHR), el proceso está en funcionamiento, en fase de exámenes, en una planta piloto de demostración, con capacidad para 2 mil kilos por hora de bagazo, instalada en la ciudad de Pirassununga (São Paulo). Todavía hay problemas operacionales y ajustes en la concepción de los procesos que están siendo corregidos. Pero los resultados son  alentadores,  no solamente en lo referente a la conversión eficiente del bagazo en etanol, sino también por el hecho de  operar en una escala representativa de un proceso comercial, que suministrará experiencia muy importante el proyecto de futuras unidades, dice Rossell.

Oxiteno, una de las mayores empresas brasileñas del sector químico, también está en busca de soluciones tecnológicas para la obtención de etanol de celulosa, pero no para uso como combustible. La empresa tiene interés en dominar el proceso de hidrólisis del bagazo y de la paja para la fabricación de productos químicos usados en la industria química y farmacéutica. Son sustancias obtenidas actualmente por la ruta petroquímica, y uno de los principales fabricantes de ese producto es Oxiteno. En alianza  con la FAPESP, la empresa lanzó en noviembre del 2006  una llamada pública de propuestas en 16 áreas temáticas de investigaciones para proyectos cooperativos en el  área de tecnología para la producción de azúcares, alcohol y derivados. En el final de enero fueron divulgados los 23 proyectos aprobados  en la primera fase.

Los proyectos en marcha para obtener etanol de la celulosa se suman a otros conducidos en los últimos años, por universidades, institutos de investigación y empresas, que resultaron un  gran avance tecnológico para el sector, como la selección de nuevas variedades de caña de azúcar y el Proyecto Genoma de la Caña (lea más en la reportaje Genética Dulce). Investigaciones que parecían abstractas hoy comienzan a ser comprendidas y pueden ser utilizadas dentro de otro contexto, dice Rossell.

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