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Biocombustibles

Etanol de mandioca dulce

Variedad de raíz azucarada reduce etapas en el proceso de producción del alcohol combustible

Durante un viaje para recolectar plantas en la Amazonia, el investigador Luiz Joaquim Castelo Branco Carvalho, de la estatal Embrapa Recursos Genéticos y Biotecnología, de Brasilia, conoció una variedad de mandioca que en lugar de almidón tiene una gran cantidad de azúcares en la raíz. Esos azúcares son, en su mayor parte, glucosa, que es el sustrato utilizado en el proceso de fermentación para la producción del etanol. La variedad descubierta por el investigador es en la realidad una mutación genética, guardada y usada por los indios brasileños antes hasta de que los portugueses llegaran al Brasil, para la obtención de una bebida alcohólica. “Ellos usaban la bebida, llamada caxirim, en las ceremonias religiosas y en las celebraciones”, dice el investigador.

La planta mutante, después de un proceso tradicional de selección de variedades y cruzamiento con plantas adaptadas a algunas regiones escogidas para futuras siembras, resultó en una variedad que dispensa el proceso de hidrólisis del almidón de la yuca para la transformación en azúcar y conversión en alcoholes, incluso el carburante para el combustible. “La eliminación de la hidrólisis del almidón reduce alrededor de un 30% el consumo de energía en el proceso de producción de etanol de mandioca”, dice Carvalho.

De la variedad, llamada mandioca azucarada, la raíz es recogida, molida, prensada y el jugo sale listo para ser usado en el proceso de producción del alcohol, lo que es la diferencia de las otras materias primas utilizadas con la misma finalidad. “Los substratos que existen en el reino vegetal o son sacarosa, de la caña, de la remolacha y del sorgo sacarino, por ejemplo, o almidón, del maíz, de raíz de yuca, granos de arroz y granos de sorgo. También podemos hacer etanol de bagazo de la caña, de gramíneas y residuos de labranzas”, dice Carvalho, que tiene en su currículo, además de graduado de agronomía en la Universidad Federal de Vizosa, en Minas Gerais, maestría en genética, doctorado en bioquímica y post-doctorado en genética evolutiva y biología molecular. Por el proceso tradicional de producción de alcohol de yuca es necesario recorrer a enzimas para transformar el almidón en azúcar.

Nichos agrícolas – La propuesta de producir alcohol a partir de la yuca azucarada no significa competencia con el etanol de caña de azúcar, pero sin la posibilidad de ocupar otros nichos agrícolas, como la Amazonia, el Nordeste y el Centro-Oeste. Esas fueron las regiones escogidas por Carvalho para dar inicio al teste de variedad, primer paso para saber si la característica de producir glucosa en vez de almidón se mantenía en todos os locales. Como el ciclo de la yuca, de la siembra a la colecta, es largo, en el caso de la convencional queda entre 18 y 24 meses, los testes fueron realizados entre los años de 2001 y 2004. “Para la yuca azucarada lo ideal es que la colecta sea hecha diez meses después de la siembra”, dice Carvalho. Eso porque, como la raíz es muy blanda y contiene gran cantidad de azúcares, si la planta no fuera recogida en la época indicada las raíces sufren el ataque de hormigas y roedores, plagas que poco atacan a las yucas tradicionales.

Los resultados de tres años de experimentos señalaron una producción que varió de 8 a 60 toneladas de raíz por hectárea, dependiendo de la variedad plantada. La que tuvo el mejor desempeño fue utilizada para cruzamientos de autopolinización y cruzamientos convencionales con variedades locales, para transferir la característica de elevada cantidad de glucosa para las plantas adaptadas en diferentes regiones. Dependiendo del lugar, la variedad ya está lista para ser usada para la producción en gran escala con la tecnología agrícola de la yuca tradicional. “En la región amazónica podemos ahora hacer propagación clonal y dar inicio a las labranzas”, dice el investigador. Para el Cerrado, la estimativa es que sean necesarios cerca de tres años para sembrado en un área extensa, e para el Nordeste, unos cinco años.

Con la variedad testada fue obtenido un rendimiento de 14 metros cúbicos (m3) de alcohol por hectárea al año. Eso por un proceso de fermentación que dura solamente diez horas. Por el proceso convencional de hidrólisis de almidón de la yuca el rendimiento es alrededor de 6,4 m3 de alcohol por un proceso de fermentación que dura cerca de 60 a 70 horas, mientras el proceso tradicional de la caña llegó a 8 m3 en un tiempo de 48 horas. “Para llegar a los 14 m3 partimos para el mejoramiento por medio del conocimiento de un proceso biológico de la planta en que ella misma hidrolisa el almidón después de cierto estadio de desarrollo y utilizamos la biotecnología para identificar la mutación ocurrida en los genes que dio origen al azúcar disponible en las raíces de la yuca azucarada”, dice Carvalho. Las mismas herramientas de la biotecnología genómica funcional y de la proteómica utilizadas por el equipo de la Embrapa que identificó la mutación en los genes de la yuca azucarada fueron también usadas para selecionar la misma característica en las variedades comerciales.

Alternativa factible – Producir alcohol combustible de la yuca no es novedad en Brasil. Desde los primeros tiempos de la implantación del Proalcohol, el programa brasileño creado en el final de 1975, la planta era considerada una alternativa factible para la producción de etanol. En aquella época, seis centrales fueron instalados en Brasil para la producción de alcohol a partir de la yuca. Entre 1978 y 1983 la Petrobras produjo el combustible en una unidad de Maranhão. Sin embargo, como esos centrales fueron  construidos en regiones poco tradicionales de producción de la planta, se volvieron no factibles. “Aunque existiesen muchos proyectos para estudios de la yuca en la época, pocos tenían base científica”, dice la ingeniera agrónoma Teresa Losada Valle, investigadora del Instituto Agronómico (IAC), de Campinas, en el interior paulista, que hace 23 años investiga el tubérculo. “Además de eso, inexistía una tecnología eficiente para el cultivo en gran escala.”

Desde entonces, el escenario del cultivo de la yuca sufrió modificaciones, con un considerable desarrollo tecnológico del cultivo, principalmente en los estados de Paraná, São Paulo y Mato Grosso del Sur. “En la región situada en el área limítrofe de los tres estados se formó un complejo industrial que produce y procesa aproximadamente 6 millones de toneladas de raíces de yuca para harina y almidón”, dice Teresa. Se creó también una industria de insumos especializados para el cultivo de la yuca totalmente brasileño, lo que hace de la región un punto de referencia mundial. “El Brasil es gran exportador de tecnología de yuca tanto en el área agrícola como en la industrial”, dice la investigadora, que tuvo recientemente un proyecto aprobado por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) para estudiar el tubérculo para la producción de alcohol. “Con tecnologías industriales, más de 600 productos pueden ser obtenidos de la fécula de la yuca para su utilización en varios sectores, que comprenden desde la industria de alimentos, industria siderúrgica, farmacéutica, alimentación animal, industria textil y del papel”, dice Carvalho. La planta volvió a entrar en la pauta de discusión para la producción de etanol desde que se intensificó la búsqueda de combustibles renovables y no contaminantes. El almidón también es una de las materias primas más cotizadas para sustituir a los productos de plástico fabricados con derivados del petróleo.

Con relación al procesamiento, así como todas las materias primas amiláceas (boniato y maíz), la yuca debe tener el almidón roto en moléculas menores para que pueda ser transformada en alcohol por las levaduras. En los anos 1970, ese proceso era bastante restrictivo, sin embargo actualmente las enzimas utilizadas en el proceso son eficientes, aunque aún con costos elevados, pero de fácil adquisición. Y las perspectivas son de mejoría para el proceso, una vez que Estados Unidos están desarrollando nuevas tecnologías para la producción de etanol a partir del maíz. “El almidón es la forma de almacenamiento temporal de azúcares de las plantas”, explica Teresa. La yuca almacena ese polisacárido, formado por la unión de varias moléculas de glucosa, en las raíces para usar en caso de necesidad, como cuando falta agua o luz para la planta hacer la fotosíntesis – funciona como una reserva energética.

Para la investigadora, mientras la caña se desarrolló como un sistema de producción de gran escala, así como ocurrió con el caucho y el café anteriormente, la yuca para la producción de etanol puede basarse en un modelo totalmente diferente, fundamentado en pequeñas propiedades agrícolas extremamente eficientes. “Podemos caminar hacia eso por dos motivos: por la propia fisiología de la planta y por el desarrollo tecnológico, que hasta ahora progresó con máquinas, equipamientos y sistemas de administración y manejo para pequeñas propiedades”, dice Teresa.

Una de las características más relevantes de la yuca es la capacidad de producción, hasta en condiciones adversas. “En suelos pobres, con bajo nivel de fertilizantes, donde otros cultivos no son factibles o de alto riesgo, la planta tiene un desempeño bastante satisfactorio”, explica la investigadora. Ese comportamiento es explicado por la eficiente asociación de hongos con raíces de la yuca, conocida como micorrizas, y por la asociación con otros micro-organismos fijadores de nitrógeno. La planta también es resistente a la falta de lluvias tanto en la siembra como durante el período productivo.

Alimento vacuno – La yuca es una planta perenne y, a partir del momento en que las raíces alcanzan una producción considerada satisfactoria, por alrededor de dos años, pueden ser recogidas, pero si se quedan en el campo continúan acumulando almidón. Además de la raíz para etanol, es posible aprovechar las ramas para alimentación animal. Para una producción de 50 toneladas de raíz, son producidas de 40 a 50 toneladas de rama, que quedan abandonadas en el campo. “Esa rama es un excelente alimento principalmente para vacunos, porque ella tiene mucha fibra, almidón, proteína, sales minerales y azúcares”, dice Teresa. Para usarla, basta picar y dejar evaporar el ácido cianhídrico, que es tóxico.

Una de las grandes ventajas para la explotación de la yuca como productora de etanol es que no existe en el mundo un país que disponga de tanta diversidad genética de esa planta como el Brasil, porque ella fue domesticada aquí. El almidón de la planta es  una fuente energética bastante eficiente. “Mientras 1 tonelada de caña produce 85 litros de alcohol, 1 tonelada de yuca con rendimiento de un 33% de almidón y 2% de azúcares puede producir 211 litros de alcohol combustible, pero ya existen variedades con un 36% de almidón”, dice Teresa.

Hasta con ese resultado favorable, el principal cuello de botella que la yuca es en relación a la caña para la producción del etanol es la baja productividad agrícola. Datos del Instituto Brasileño de Geografía y Estadística (IBGE) indican que en 2006 la productividad media brasileña de la yuca quedó en 14 toneladas por hectárea (t/ha), mientras la de la caña presentó rendimiento de 74,4 t/ha en el mismo período. En el estado de São Paulo, la productividad media de la yuca para industria quedó en alrededor de 26 t/ha, prácticamente el doble de la nacional. El maíz, principal materia prima utilizada en Estados Unidos para la producción de etanol, presentó productividad media brasileña de solamente 3,4 t/ha.

Los costos de producción de la caña son menores si se comparan a los de la yuca. Según datos divulgados por el Centro de Estudios Avanzados en Economía Aplicada (Cepea) de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz de la Universidad de São Paulo en Piracicaba, para la región de Assis, en el interior paulista, el costo de la tonelada de la caña fue de 37,60 reales por tonelada en la zafra de 2005 a 2006, mientras el de la yuca correspondió a 84,52 reales por tonelada  en el mismo período. “El hecho de que la yuca no presente factibilidad en comparación con la caña de azúcar ocurre debido a elevadas inversiones realizadas en el sector sucro-alcoholero, que favorecieron ganancias en productividad agrícola y en rendimientos industriales”, dice el investigador Fábio Isaias Felipe, del Cepea, que publicó estudios conjuntos con Lucilio Rogério Aparecido Alves, de la misma institución, sobre el alcohol de mandioca como fuente de energía. El investigador cree que es posible viabilizar la producción de etanol de la yuca realizando los tratos culturales necesarios e invirtiendo en la tecnología agrícola. “Ciertamente conseguiremos resultados más favorables para la yuca, pero es necesario pensar en nichos específicos de mercado, y no en la competencia con el alcohol a partir de la caña.”

Domesticación indígena

Evidencias obtenidas en test de ADN y estudios arqueológicos señalan el origen y la domesticación de la yuca (Manihot esculenta) en una región que comprende los estados de Acre, Rondonia y Mato Grosso hace aproximadamente 10 mil a 12 mil años. “El ancestral de la yuca surgió en aquella región, indicando que la domesticación fue hecha en la Amazonia”, dice el investigador Luiz Joaquim Castelo Branco Carvalho, de la Embrapa Recursos Genéticos y Biotecnología. El género Manihot es constituido por 98 especies, 80 de lãs cuales existen en Brasil, 12 en México y el resto en la América Central y del Norte. “Por la distribución geográfica de las especies en las Américas y el número de ellas en locales específicos es que se formulan las hipótesis de posible domesticación”, explica Carvalho. De las 98 especies de ese género, solamente una de ellas, que existe en Brasil, fue domesticada y es cultivada por el hombre.

Con la tecnología del ADN se estableció que la yuca cultivada es derivada de una única especie que sería su ancestral, denominada Manihot esculenta ssp. flabellifolia.  “Las investigaciones arqueológicas relatan el hallazgo de residuos de mandioca en un sitio de más de 8.400 años en una región de la Amazónia, en la frontera entre Brasil, Bolivia y Paraguay”, dice Carvalho. Ese hallazgo corrobora las investigaciones con ADN que indicaron que, alrededor de esa región, fue encontrada la planta que dio origen a la yuca hace aproximadamente unos 10 a 12 mil años y, con eso, el inicio de la domesticación por el hombre.

“La yuca es uno de los grandes legados indígenas para el mundo moderno”, dice la investigadora Teresa Losada Valle, del IAC. Las culturas indígenas, que hicieron de la yuca su base alimentaria, ayudaron en la domesticación de plantas que en la actualidad podemos identificar como sofisticados procesos biológicos y bioquímicos de gran utilidad en la agricultura moderna. “La raíz altamente tóxica de la yuca brava, una variedad que contiene una alta proporción de ácido cianhídrico, se transformaba en harina de yuca sin ningún vestigio de veneno y fácilmente almacenable”, dice Teresa. El mismo proceso es utilizado hasta hoy. En la región fronteriza entre Brasil y Paraguay, tribus indígenas desarrollaron variedades mansas, con reducidísima cantidad de sustancias tóxicas. La yuca se convirtió una planta tan eficiente que se volvió un alimento básico en la cultura de la Amazonia antes del descubrimiento, así como el maíz en la región de México y la papa en los Andes.

El Proyecto
Influencia de la densidad poblacional en diferentes épocas de recolecta en la producción y en la calidad de las raíces de mandioca de mesa (Manihot esculenta Crantz)
Modalidad
Auxilio Regular a la investigación
Coordinadora
Teresa Losada Valle – IAC
Inversión
11.250,00 reales y 537,40 dólares estadounidenses (FAPESP)
El Proyecto
Dividido en tres fases:
1 – Recolecta del germoplasma y reconocimiento del centro de origen y domesticación de la mandioca (de 1996 a 2001)
2 – Generación y utilización de las herramientas biotecnológicas para la identificación de las mutaciones (2002 a 2004)
3 – Test de funcionalidad genética de las mutaciones y generación de las variedades comerciales (de 2005 en adelante)
Coordinador
Luiz Joaquim Castelo Branco Carvalho – Embrapa
Inversiones
1 – 180 mil dólares (Fundación Rockefeller)
2 – 194 mil reales (Embrapa Recursos Genéticos y Biotecnología); 160 mil reales (CNPq)
3 – 160 mil euros (Agencia Internacional de Energía Atómica – IAEA, en la sigla en inglés)

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