Los
combustibles fósiles están perdiendo competitividad en el mercado, debido a que
con el paso de los años la extracción de crudo está aumentando de precio,
haciendo que a su vez, la gasolina y el resto de sus derivados incrementen sus
precios; por lo tanto, estamos obligados a buscar una fuente de combustible
alternativo. Hasta el momento, el bioetanol y el biodiesel, habían sido los
descubrimientos principales y prometedores, ya que son una fuente combustible
verde, sin embargo, el etanol, para los requerimientos de grandes empresas como
combustible sustentable y competente, dejaba mucho que desear.
En
la búsqueda de nuevas formas de energía, se han realizado investigación con
sustratos de origen vegetal así como con residuos agroindustriales los cuales
pueden ser aprovechados para su transformación por medio de rutas bioquímicas y
obtener biocombustibles a partir de sistemas sustentables.
Para
analizar el proceso de obtención de biocombustible como lo es el biobutanol, se
necesita llevar a cabo cinéticas fermentativas para conocer el aumento del
producto y la disminución del reactante.
Nuevas investigaciones arrojaron que el
butanol era molecularmente más similar a la gasolina, pudiéndose mezclar con
esta, hasta en un 95%, a diferencia del 75% con lo cual se mezcla el etanol.
Una forma de obtención de este alcohol, es
mediante la fermentación ABE con ayuda del Clostridium
beijerinckii, que se trata de un microorganismo no patógeno que fermenta
glucosa, lignocelulosa y otros materiales, de manera anaerobia (sin oxígeno)
produciendo Acetona (6.6 g/L), Butanol (10.1 g/L) y Etanol (1.7 g/L). Es el microorganismo más
conveniente debido a que presenta poca mutación genética, se trata de un
microorganismo de fácil mantenimiento y tiene una gran capacidad de adaptación
a procesos químicos continuos.
Marco
teórico
Los combustibles
fósiles, como carbón, petróleo y gas natural, fueron, en ese orden, las
principales fuentes de energía de la civilización como la conocemos, su
función, desde la Revolución Industrial fue potenciar el desarrollo económico y
tecnológico de la sociedad. Se hicieron enormes descubrimientos, que requerían
el uso de estos combustibles, acostumbrando a la sociedad a su empleo,
aumentando la demanda, principalmente de la gasolina, un derivado del petróleo.
Con ella, movemos automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc. El gas
natural se volvió igualmente importante, su uso en las vidas de los seres
humanos, es ahora, irreemplazable. El carbón, perdió competitividad, mas no con
eso decrecieron sus yacimientos, aun se siguen explotando y se utilizando.
La demanda mundial de
combustibles fósiles está en auge, trayendo como consecuencia la búsqueda de
nuevos yacimientos, de petróleo, primordialmente. Todo esto acarrea una serie
de problemas, entre ellos el aumento en los costos de dichos combustibles,
debido a que la explotación de los nuevos yacimientos requiere de una mayor
inversión, en tecnología, y equipos.
Otro problema de los actuales
motores de la sociedad, es la contaminación. Las emanaciones de gases de efecto
invernadero, como lo son el monóxido de carbono, los óxidos de azufre y
nitrógeno, son la principal, quizá la única, fuente de contaminación
atmosférica y trae consigo problemas graves al medio ambiente y atenta contra
la salud de los habitantes de todo el mundo. La contaminación del suelo y el
agua por desechos de aceites y residuos.
Estos problemas han sido
detectados actualmente por los gobiernos de todo el mundo, y se están buscando
alternativas, amigables con el planeta, esperando con esto revertir los
estragos causados en el planeta, o cuando menos reducir el impacto de los
combustibles fósiles, disminuyendo su demanda y con el paso del tiempo,
sustituirlos. Esas fuentes de combustibles alternativos son conocidas, como
energías verdes o biocombustibles.
Los biocombustibles, son
combustibles líquidos o gaseosos provenientes de fuentes de biomasa –materia de
origen orgánico-, y no de restos en estado fósil; mediante procesos de
transformación, como la fermentación.
Los más importantes y de mayor
desarrollo son el bioetanol, el biodiesel, el biogás, y de manera emergente el
biobutanol. Su producción mundial ha crecido exponencialmente en los últimos
años y su desarrollo se ha visto favorecido por el aumento en el precio del
petróleo.
Biomasa.
Biomasa.
La biomasa podría definirse, en
términos muy generales a cualquier materia vegetal que puede ser usada como combustible, o ser
transformada en otra forma antes de la combustión. El uso de biomasa es lo que
le da a la producción biológica de combustibles el término de biocombustible.
La regla general es:
Biomasa
+ Proceso biológico =
Energético
Donde el energético puede ser producido en forma de gas o líquida.
Así mismo, la biomasa está
constituida por tres componentes, en su mayoría por cadenas de glucosa, a menos
que se trate de biomasa a base de lignina, en este caso se estaría hablando de
una composición a base de anillos fenólicos. Pero la división estadística de
los componentes de la biomasa es la siguiente: Celulosa (glucosa) 44%, Hemicelulosa
(xilosa) 30%, y Lignina (fenólicos) 26%. Existen diversos residuos
agroindustriales, con composiciones diferentes, como lo muestra la Tabla 1
(Ortíz-López., 2008)
Tabla 1. Composición
de diversos recursos lignocelulósicos (%). (Quintero-Ramírez., 1977. Jorgensen
H. et. Al., 2007. Moiser. N., et al., 2005)
Fuente
|
Celulosa
|
Hemicelulosa
|
Lignina
|
Paja de cebada
|
40-44
|
28-30
|
20-22
|
Madera
|
44-50
|
20-26
|
17-30
|
Bagazo de caña
|
50
|
20
|
30
|
Olote de maíz
|
36
|
23
|
17
|
Paja de trigo
|
33
|
25
|
23
|
Paja de arroz
|
34
|
25
|
23
|
Rastrojo de maíz
|
36-37
|
22-23
|
16-17
|
Fibra de maíz
|
14.28
|
16.8
|
8.4
|
Madera de pino
|
46.4
|
8.8
|
29.4
|
Pasto
|
31
|
20-24
|
17-18
|
Papel de oficina
|
68.6
|
12.4
|
11.3
|
La biomasa debe cumplir con
ciertos requerimientos para poder ser utilizada durante procesos
biotecnológicos, para la producción de cualquier energético o producto, estos
requerimientos son:
-
Debe poder ser
sometido a extracciones para recuperar algún componente que tenga demanda en el
mercado.
-
Estar
disponible localmente y en las cantidades necesarias para asegurar la
producción del producto de interés.
-
Que no tenga
otras aplicaciones/usos que compitan con el proceso a realizar.
-
Que no
requiera pretratamiento, o en su defecto que sea uno sencillo y económico.
-
La
disponibilidad del residuo debe permitir planificar el proceso para el cual se
utilizara.
-
Debe ser
estable, no debe descomponerse fácilmente bajo las condiciones ambientales del
sitio donde se genera.
Estos criterios para selección
de residuos sirvieron como referencia para clasificarlos, como sigue:
-
Sustratos para
la producción fermentativa de metabolitos de interés.
-
Sustratos para
la generación de bionergéticos.
-
Mejoradores de
suelo obtenidos de composta.
-
Suplemento
alimenticio para animales.
Los residuos que no son
utilizados para bioprocesos, tienden a convertirse e en contaminantes de suelos
y aguas subterráneas. (Saval., 2012)
Cuando la biomasa requiere
pretratamiento, antes de la hidrólisis encontramos que existen pretratamientos,
físicos, químicos y biológicos. Los primeros se refieren a procesos donde se
reduce el tamaño de las partículas, ya sea por molienda, temperatura,
radiación, vapor, o secado, por ejemplo. Los siguientes son aquellos que
requieren sustancias ácidas o álcalis para alterar la estructura de la
celulosa. Finalmente, tenemos a los biológicos, que son llevados a cabo
mediante un ataque microbiano a la estructura celulósica, se utilizan
principalmente hongos. Sin embargo, cada uno tiene sus desventajas. Los físicos
presentan una baja efectividad y son caros; los biológicos presentan una
degradación poco eficiente de lignina y celulosa, así como largos periodos de
procesamiento; en los químicos, los álcalis son utilizados en la transformación
de la lignina, y los ácidos en la hidrólisis de hemicelulosa, son los usados
más comúnmente, debido a que no presentan demasiadas desventajas, y son de bajo
costo. Los efectos de los pretratamientos podrían derivar en metabolitos inhibidores
de las cepas en la Tabla 2 se describen los efectos de los pretratamientos.
(Ortiz-López., 2008)
Tabla 2. Efectos de algunos métodos de pretratamiento sobre la
composición química y estructura fisicoquímica de biomasa lignocelulósica.
(Moiser N., et Al., 2005)
Aumento
de la superficie accesible
|
Decristalización
de celulosa
|
Eliminación
de hemicelulosa
|
Eliminación
de lignina
|
Alteración
de la estructura de la lignina
|
|
Explosión de vapor no
catalizado.
|
■
|
■
|
□
|
||
Agua caliente
|
■
|
N.D.
|
■
|
□
|
|
pH controlado con agua
caliente
|
■
|
N.D.
|
■
|
□
|
N.D.
|
Ácido diluido
|
■
|
N.D.
|
■
|
□
|
|
Flujo ácido
|
■
|
■
|
□
|
■
|
|
AFEX
|
■
|
■
|
□
|
■
|
■
|
ARP
|
■
|
■
|
□
|
■
|
■
|
Cal
|
■
|
N.D.
|
□
|
■
|
■
|
□ Menor efecto
■ Mayor efectoN.D. No definido
La biomasa proveniente de los
residuos agroindustriales es sumamente atractiva para la producción de enzimas
de aplicación industrial, por ejemplo: hemicelulasas, xilasas y pectinasas.
Los ejemplos de producción de bioenergéticos a partir de residuos agroindustriales,
van enfocados principalmente a la producción de bioetanol, biodiesel, otros
biocombustibles como biobutanol y biogás.
Bioetanol.
A grandes rasgos es un biocarburante líquido que, junto con el
biodiesel, son los más aceptados en la actualidad.
Específicamente, el bioetanol es
alcohol carburante, que se produce de la fermentación de cultivos agrícolas que
contengan azucares, almidones o celulosa. Algunas de sus principales ventajas
son:
- Aumenta el índice de octanos, disminuyendo el consumo y reduciendo significativamente la contaminación (10 a 15% menos CO).
- Puede mezclarse con la gasolina sin plomo de un 10 a un 25% sin dificultad.
- Existen motores diseñados para funcionar al 100% con etanol.
Con esto, se cree que el etanol
podría sustituir al metil ter-butil éter (MTBE), el producto oxigenante con el
que se reformulan las gasolinas en nuestro país, y que ha permitido reducir las
emisiones de CO2. Lo cual resultaría conveniente, debido a que,
aunque el MTBE es un compuesto estable, de baja degradación y soluble en agua,
se ha convertido en un contaminante de aguas subterráneas, y puede representar
un riesgo para la salud, ya que está catalogado como potencialmente
carcinógeno. (Vázquez, Dacosta., 2007)
La opción principal (Figura 1)
para producir etanol es por fermentación de sustancias ricas en carbohidratos
(azúcar, almidón, celulosa, etc.), debido a este proceso es por lo que se le
considera bioetanol. Entre las
materias primas tenemos frutas y vegetales, tales como, caña de azúcar,
remolacha, cereales como trigo, maíz y sorbo, tubérculos como papas y yuca, y
en general, materias provenientes de residuos orgánicos. [4]
Figura 1. Esquema de obtención de bioetanol según las tres
vías actuales
La forma de obtención del
bioetanol es por fermentación alcohólica, que es una bioreación que permite
degradar azucares en alcohol y dióxido de carbono.
Para la fermentación alcohólica
mediante microorganismos, se tienen en cuenta varios factores:
- Tolerancia al etanol.
- Tolerancia a altas temperaturas.
- Tolerancia a altas concentraciones de azúcar.
- Rendimiento alcohólico
- Eficiencia en la fermentación y productividad.
Se han estudiado diferentes
microorganismos, levaduras, principalmente; pero por sus características las
principales responsables de dicha transformación son las levaduras, la Saccharomyces cerevisiae, es la más
utilizada. La S. cerevisiae es un
hongo unicelular utilizado industrialmente en la fabricación de pan, cerveza y
vino, mediante la fermentación produce una cantidad importante de dióxido de
carbono y etanol, en presencia de un medio rico en azucares. Su uso se debe a sus ventajas: la facilidad
de cultivo, y la velocidad de la división celular.
A nivel estequiométrico la
fermentación parece ser una transformación simple, ya que solo se degrada la
glucosa en un dos moléculas de alcohol y dos de dióxido de carbono:
C6H12O6 --------> 2C2H5OH
+ 2CO2 …… ec (1)
Sin embargo, es un proceso
complejo, puesto que al mismo tiempo la levadura necesita glucosa y otros
nutrientes para reproducirse. Para evaluar la
transformación se usa el rendimiento biomasa/producto y el rendimiento
producto/substrato. El primero es la cantidad de levadura producida por
cantidad de substrato consumido; y el segundo, la cantidad de producto
sintetizado por cantidad de substrato consumido.[4]
El rendimiento teórico
estequiométrico para la transformación de glucosa en etanol es de 0.511 g de
etanol y 0.489 g de CO2 por 1 g de glucosa, según cálculos de
Gay-Lussac. Sin embargo, industrialmente se habla de un rendimiento
experimental que oscila entre el 87% y el 93%. (Boudarel., 1984; Vázquez.,
Dacosta., 2007)
Otro parámetro a considerar es
la productividad (g/h/l), que se define como la cantidad de etanol producido
por unidad de tiempo y de volumen.
Estos parámetros se definen con
relación a la fase y al modo de funcionamiento del fermentador (Figura 2). Un
bioreactor es un recipiente cilíndrico de doble pared, elaborado, ya sea de
vidrio o de acero inoxidable (control de temperatura y esterilización en
línea), cubierto de una platina de acero inoxidable, la cual está dotada de
entradas y salidas que permiten agregar substratos, nutrientes y substancias
como ácidos grasos o bases, y extraer productos, o hacer mediciones. Está
platina permite acoplar un sistema de agitación para mantener la homogeneidad y
facilitar, en caso de ser necesario, la transferencia de oxígeno y nutrientes.
Es el elemento central para la fermentación alcohólica. [5]
La elección del biorreactor que
mejor se adapte a los requerimientos, dependerá de los recursos económicos
disponibles, y del interés en desarrollar tecnología propia.
Figura 2. Diagrama de funcionamiento de un bioreactor
automatizado
El bioetanol se produce
mediante procesos discontinuos, entre los principales están:
- Sistema Jackemine: Donde no hay recirculación celular, los tiempos de fermentación son largos y de baja productividad.
- Sistema Melle-Boinot: Donde si hay recirculación celular, se limita el crecimiento y se maximiza la producción de alcohol, al tiempo que se disminuyen sensiblemente los tiempos de fermentación debido a la alta densidad celular en el fermentador, Su productividad es entre 20-25 veces mayor a la del sistema Jackemine.
Por otro lado se ha buscado tener un proceso continuo en la producción
de bioetanol, sin embargo, en estos procesos deben garantizar que los
reactivos estén en contacto suficiente
tiempo para que la reacción ocurra como se desea. En dichos procesos se
requiere de un bioreactor de mezcla completa. La ventajas de la fermentación
continua son mayores rendimientos, mejor productividad, y la automatización es
sencilla; su principal desventaja son los riesgos de contaminación, por lo que
se requiere mayor esterilidad, cosa que incrementa los costos.
Ahora bien, el etanol es un buen
carburante, sin embargo tiene algunos factores en contra, ya que su materia
prima es, principalmente, azúcar o caña de azúcar, que tiene gran demanda en la
refinerías para producir azúcar blanca o refinada de uso comercial. Esto lo
convierte en un amplio tema de debate, que trata, principalmente, de definir
qué tan viable es destinar la caña de azúcar para los procesos de fermentación
requeridos para la elaboración de etanol. (Hernández-Nodarse., 2008).
Biodiesel.
El biodiesel es un combustible
renovable, que se obtiene principalmente a partir de aceites vegetales
animales, o aceites reciclados. Su principal ventaja ecológica, deriva en que
reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.(Vargas-González., 2007)
Históricamente, la demanda y
producción de biodiesel, va a la alza, por ejemplo, en el lapso 1993-2003 se
aumentó un 28.5% anual, la producción de este combustible.
Física y visualmente, es un
líquido que va desde el color amarillo claro, hasta uno oscuro, inmiscible con
el agua; cuya viscosidad es similar a la del diesel obtenido a partir de
petróleo, con el cual puede mezclarse para reducir las emisiones contaminantes
de los vehículos con motores que funcionan a partir de este combustible. Entre
las mezclas más comunes están:
·
-B2.- 20%
biodiesel y 80% diesel de origen fósil.
·
-B5.- 5%
biodiesel y 95% diesel fósil.
Sin embargo, se puede emplear
un 100% de biodiesel, haciendo ciertas modificaciones al motor, que eviten
problemas de mantenimiento y desempeño. (Vargas-González., 2007)
En México hay muy poca
experiencia en cuanto al uso de este combustible, la más destacada es la planta
de biodiesel de Grupos Energéticos de Cadereyta, Nuevo León, donde se producen
cerca de 300 m3 al mes, a partir de los aceites y grasas recicladas
de la cafetería del Instituto Tecnológico de Monterrey. Con dicha producción se
abastece una de una mezcla de B20 a un autobús de transporte de personal y dos
vehículos compactos propiedad de ITM.
En contraste, en los Estados
Unidos, la producción de biodiesel en el 2004 fue de 570 millones de litros. En
1999 sólo algunas flotas utilizaban biodiesel, sin embargo, para septiembre del
2001, el número aumento a más del 100%. En este país su principal aplicación es
en las flotas vehiculares del ejército y las agencias gubernamentales.
En Minnesota (2005) se promovió
un mandato para que el diesel utilizado en el autotransporte tuviera un 2% de
biodiesel.
El biodiesel se obtiene mediante
un proceso de transesterificación, es decir, al intercambiar el grupo alcoxi de
un éster, por un alcohol, dichas reacciones comúnmente son catalizadas mediante
la adición de un ácido o una base (Figura 3).
En términos muy generales, la
transesterificación consiste en combinar, el aceite (vegetal, normalmente) con
un alcohol ligero (metanol), que deja un residuo glicerina (que puede
aprovecharse en la industria cosmética)
Éster + alcohol = éster diferente + alcohol
diferente.
Figura 3. Proceso de obtención de biodiesel
Como materia prima en la
producción de biodiesel se emplean grasas, cultivos oleaginosos, así como grasa
reciclada de restaurantes.(Vargas-González., 2007)
Para obtener la calidad del
aceite, se tienen en cuenta varios aspectos, entre los cuales están:
- Índice de acidez.- Mide el contenido de ácidos grasos libres, y se determina mediante titulación del aceite con hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH). Y suele expresarse en mg de KOH por g de aceite, o cómo % de ácidos grasos libres. La importancia de esto radica en que la reacción ácido graso más un hidróxido (KOH/ NaOH) produce un jabón, e interfiere con la producción. También que los aceites con alto IA tienen bajo rendimiento. El ideal es que el IA ˂ 5 mg KOH/ g aceite (2.5%).
- Índice de yodo.-Mide el contenido de dobles enlaces en la cadena de carbono. La importancia radica en que a mayor IV tendrá un punto de congelamiento, lo que permitirá su uso en lugares de clima frío. Pero también se vuelve menos estable a la oxidación, y al someterse a altas temperaturas, se degrada más rápidamente, creando depósitos solidos que podrían afectar el motor.
- Índice de peróxido.- esto indica el grado de oxidación del aceite, y depende de las condiciones de almacenamiento del mismo. El biodiesel debe ser guardado en recipientes llenos, sin espacios de aire, baja exposición a la luz y bajo temperaturas normales, o bajas, en su defecto.
- Contenido de humedad e impurezas.- el agua favorece la formación de jabones, que son perjudiciales porque contaminan el producto final, por ello se debe asegurar la menor cantidad de agua posible durante el proceso. (Castro-Pereja., 2004).
Biogás
Es un bioenergético que se obtiene a partir de desechos orgánicos. Es
una forma de energía limpia y renovable.
Se obtiene a partir de la
digestión anaeróbica de materiales orgánicos, es una mezcla de dióxido de
carbono y metano, es usado como combustible porque presenta un valor calorífico
de 23 MJ/kg y posee un potencial de calentamiento 25 veces mayor al del CO2.
Puede sustituir a los combustibles fósiles, pues con él se puede
cocinar, calentar y generar electricidad. Al igual que con el gas natural, el
biogás permite generar electricidad a partir de motores de combustión interna,
conectados a un generador.
Su potencial energético radica
en que con un metro cúbico de biogás se puede:·
- Generar 6 horas de luz (equivalente a un foco de 60 W).
- Hacer funcionar un refrigerador de 1 m3 durante una hora
- Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas
Para su generación se requiere
de biodigestores, que son contenedores cerrados, herméticos e impermeables, se
coloca la materia orgánica que permitirá generar biogás. Son construidos con
distintos materiales, como acrílico reforzado con fibra de vidrio, hule o
polietileno). Sus componentes son un reactor de las materias primas por
digerir, el contenedor de gas (con accesorios de salida), la entrada de materias
orgánicas y la salida de materias orgánicas estabilizadas. Existen diferentes
tipos, entre ellos, los sistemas de flujo discontinuo, semicontinuo y continuo.
Los biodigestores familiares son de bajo costo, y son una alternativa
energética eficiente y se utilizan para cocinar o generar electricidad.
Algunas de sus principales
ventajas de estos sistemas son su bajo impacto ambiental, no requieren emplear
personal altamente calificado y, además, se obtienen fertilizantes orgánicos
que se reincorporan a la tierra.
Los países pioneros en
introducir esta tecnología son Alemania, china e India; en Latinoamérica,
Brasil, Argentina, Uruguay y Bolivia demostraron avances significativos en su
inclusión. [2]
Biobutanol
Biobutanol
El butanol es un alcohol primario, cuya fórmula es C4H10O;
es un líquido incoloro, flamable, con un olor característico, y cuyo vapor
irrita la mucosa produciendo un efecto narcótico en altas concentraciones. Es miscible es solventes
orgánicos comunes, y parcialmente miscible con agua. Considerado un
biocarburante de 2a Generación, es decir, un carburante proveniente
de la fermentación de materias primas de origen lignocelulósico.
Hoy en día, es considerado una
mejor alternativa que el etanol, como biocombustible, ya que es menos corrosivo
y menos soluble con agua, siendo más adecuado para las máquinas de combustión
interna, utilizadas actualmente en los automóviles.(Rajchenberg., et Al., 2012;
Lee et Al., 2008).
El interés en este carburante se debe principalmente a la necesidad
de disminuir la dependencia al petróleo,
por razones ambientales y económicas, que se basan principalmente en la
reducción de gases contaminantes a la atmosfera y, a la búsqueda de la disminución
del uso de aceite y gas natural; otra razón es que el etanol tiene un
rendimiento energético bajo, una alta presión de vapor, la higroscopia, por lo
que no puede ser transportado en tuberías, y los actuales contenedores
petroquímicos tienden a atrapar agua, lo cual contamina el etanol; además del
elevado costo de su destilación. La contaminación de etanol con agua ocasiona
problemas con las mezclas gasolina-etanol, ya que presentan separación de
fases. (Steen et Al., 2008; Rajchenberg., et Al., 2012)
En contraparte, el butanol tiene
un contenido energético más similar a la gasolina (Tabla 3) y su presión de
vapor es 11 veces menor que la del etanol. El butanol es menos higroscópico y
más compatible con la gasolina, lo que hace posible que sea adicionado a las
gasolinas desde la refinería. (Atsumi et Al., 2008; Rajchenberg., et Al., 2012)
La capacidad higroscópica de un combustible es muy importante, ya la
poca o mucha capacidad de absorción de agua que tenga, permitirá definir si
puede ser adicionado a largo o corto plazo a la mezcla de
gasolina.(Rajchenberg., et Al., 2012)
Tabla 3. Comparación de propiedades relevantes del butanol y etanol
como carburantes. (Lee et Al., 2008).
Butanol
|
Gasolina
|
Etanol
|
|
Densidad de energía (MJ/L)
|
29.2
|
32
|
19.6
|
Proporción aire-combustible
|
11.2
|
14.6
|
9
|
Calor de vaporización (MJ/Kg)
|
0.43
|
0.36
|
0.92
|
N° octanos en investigación
|
96
|
91-96
|
129
|
N° octanos en motor
|
78
|
81-89
|
102
|
La Tabla 3 es un resumen comparativo de propiedades y nos indica que los
motores de gasolina podrían trabajar con butanol sin requerir una modificación previa,
contrario al etanol. Esto prueba que el butanol tiene una mayor ventaja técnica
y económica como biocombustible. Aunque sus números de octano de investigación
y en motor, es menor al del etanol, su valor es similar al de la gasolina; lo
cual no representa ninguna desventaja. (Rajchenberg., et Al., 2012)
En 2001 la demanda mundial de
biobutanol era de 3 millones de toneladas, donde más era requerido era en el
norte de Asia, seguido por norte América, se creía que en 2020 llegaría a 4
millones.
Históricamente, el 1-butanol
apareció durante los experimentos de Louise Pasteur con la fermentación ABE
(Acetona, Butanol y Etanol), en 1861. Pero la patente fue hecha por Chaim
Weizmann, que presento una idea clara del proceso de fermentación butílica.
Posteriormente (1950), empezó a producirse butanol y etanol a escala
industrial, en algunos países primermundistas, como EEUU, Japón, Rusia y
Sudáfrica, aunque sólo el 66% de la producción de este, provenía de procesos
fermentativos. Un hecho que marco la producción a nivel industrial del
biobutanol, fue a través de procesos microbiológicos, que tuvieron lugar al
aislar al Clostridium acetobutylicum, que
fermentaba papa. Durante la Primera Guerra Mundial se usaba butanol para
producir acetato de butilo (caucho sintético), con el uso de amiláceas y
melazas, como materias primas. Pero con el paso del tiempo, la industria
petroquímica inicio su auge, apoderándose del mercado del butanol,
produciéndolo mediante la reacción oxo del propileno, con butiraldehído como
intermediario. Sin embargo, con el paso del tiempo empezó a perder
competitividad, a causa del aumento del costo en las materias primas, y a la
eficiencia de los procesos petroquímicos. (Lareo., 2012)
La producción biológica de
butanol ocurre naturalmente en algunos microorganismos como Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium butyricum; o la arquea Hyperthermus butylicus. Y es obtenido a
partir de la fermentación de azucares con microorganismos del genero
Clostridium, entre los que se encuentran, principalmente, el C. acetobutylicum y C. beijerinckii; sus principales productos de interés son acetona,
butanol y etanol (Fermentación ABE).
La fermentación que realizan se
llama Fermentación ABE (Figura 4), por los productos que arroja (acetona, butanol
y etanol), el proceso se divide en dos fases:
Acidogénesis.- en este proceso se lleva a cabo el metabolismo de azucares, generación de masa celular, produciendo compuestos de naturaleza ácida (ac. Acético y ac. Butílico). Hay descenso de pH en el medio, hasta alcanzar el estado estacionario.
Solventogénesis.- Se tiene una reasimilación de los ácidos producidos en la Acidogénesis, aumenta el pH, y se forma butanol. Existen varios factores determinantes en el desarrollo de esta fase, como esporulación, pH externo, concentración de ácidos, nivel de los nutrientes, temperatura y concentración de oxígeno.
Acidogénesis.- en este proceso se lleva a cabo el metabolismo de azucares, generación de masa celular, produciendo compuestos de naturaleza ácida (ac. Acético y ac. Butílico). Hay descenso de pH en el medio, hasta alcanzar el estado estacionario.
Solventogénesis.- Se tiene una reasimilación de los ácidos producidos en la Acidogénesis, aumenta el pH, y se forma butanol. Existen varios factores determinantes en el desarrollo de esta fase, como esporulación, pH externo, concentración de ácidos, nivel de los nutrientes, temperatura y concentración de oxígeno.
Sin embargo, como en cualquier
proceso biológico, a nivel industrial existen limitaciones:
- El propio butanol generado es tóxico para las bacterias.
- La reacción de fermentación tiene bajos rendimientos de conversión.
- La utilización de azucares como materia prima supone un alto coste de producción.
Figura 4. Proceso de obtención de butanol[1]
Regularmente se emplean procesos discontinuos donde se colocan todos los
reactivos en un reactor bajo ciertas condiciones, hasta que se agotan y se
obtienen los productos. Los reactores en continuo son fáciles de operar y
reducen los riesgos de contaminación al medio, pero son conocidos por su baja
efectividad.
Hay dos posibles soluciones para
incrementar la productividad del proceso en la producción de butanol, y son:
Inmovilización de microorganismos. Es el establecimientode una interacción entre los microorganismos productores de butanol y un soporte (natural o sintético). Sus ventajas son que facilita la separación de productos, eleva la densidad celular y mejora la transferencia de materia. Y sus desventajas son la necesidad de procesos previos a la hidrolisis, perdida de actividad celular (a causa de la inmovilización) y la acumulación de burbujas de gas.
Desarrollos de procesos en separación del producto in situ. Permite la extracción del butanol a medida que es producido en el medio, así se aumenta la productividad del proceso y se evitan fenómenos de inhibición (toxicidad por el butanol) en los microorganismos que lo producen. Algunas técnicas de separación utilizadas para la extracción del butanol son la destilación, el arrastre de gas, la extracción líquido-líquido y la pervaporación.
Inmovilización de microorganismos. Es el establecimientode una interacción entre los microorganismos productores de butanol y un soporte (natural o sintético). Sus ventajas son que facilita la separación de productos, eleva la densidad celular y mejora la transferencia de materia. Y sus desventajas son la necesidad de procesos previos a la hidrolisis, perdida de actividad celular (a causa de la inmovilización) y la acumulación de burbujas de gas.
Desarrollos de procesos en separación del producto in situ. Permite la extracción del butanol a medida que es producido en el medio, así se aumenta la productividad del proceso y se evitan fenómenos de inhibición (toxicidad por el butanol) en los microorganismos que lo producen. Algunas técnicas de separación utilizadas para la extracción del butanol son la destilación, el arrastre de gas, la extracción líquido-líquido y la pervaporación.
La destilación, al igual que en la recuperación de etanol, es bastante
costosa, debido a la baja concentración de producto en medio, y tiene un
elevado consumo de energía porque el butanol tiene un punto de ebullición más
alto que el agua.
El arrastre de gas (Figura 5)
es la técnica más sencilla y permite recuperar cualquier solvente del medio de
fermentación y no requiere grandes inversiones en equipos; consiste en
burbujear gas (lo gases producidos en la fermentación: CO2 e H2)
dentro del medio de fermentación. A su paso el gas captura lo solventes
(butanol, acetona, etanol) y son arrastrados a la salida, donde son
condensados. El gas se recircula al fermentador para continuar con la captura
de productos; esto no elimina los nutrientes del medio, ni produce daños en el
cultivo. La principal ventaja es la reducción del problema de inhibición por
elevadas concentraciones de azúcares.
Figura 5 Esquema de un sistema de biorreactor.[1]
La extracción líquido-líquido se
utiliza para concentrar un analito o separarlo de una matriz compleja o con
interferentes. Este proceso, también conocido como lixiviación líquido-líquido,
separa dos sustancias miscibles o polares entre sí, por medio de una tercera,
como por ejemplo tetracloruro de carbono.[3]
Por otra parte, la pervaporación es un proceso que se realiza por medio
de membranas selectivas, para separar líquidos. Funciona mediante osmosis inversa,
se produce un paso del solvente de mayor concentración hacia una de menor
concentración. Sus ventajas son que requiere un consumo de calor latente mucho
menor al del que se requiere en la destilación y que no está limitada
termodinámicamente; pero, generalmente, se utiliza en la deshidratación de
compuestos orgánicos. [3]
Sin embargo, actualmente
existen pocas industrias que puedan producir butanol a escala industrial, por
lo que es más viable, económicamente, producirlo a nivel laboratorio. Esto se
debe principalmente a los procesos de purificación que requiere, puesto que los
solventes (acetona, butanol y etanol) tienen puntos de ebullición diferentes,
por lo que se requiere de al menos 3 destilaciones. A nivel industrial se
trata, además de purificar los gases producidos durante la fermentación, que
serían hidrogeno y dióxido de carbono, ya que al igual que los solventes, son
productos de valor monetario.
Una de las pocas investigaciones
a nivel industrial se realizó en el Instituto Francés del petróleo, como parte
del programa para Sustitución de Combustibles, en un procesos que implicaba un
pretratamiento por explosión de calor del residuo lignocelulósico de mazorcas y
olotes de maíz, así como la hidrolisis enzimática con celulasas y la fermentación
del hidrolizado con una cepa de C. acetobutylicum. [1]
Clostridios
Entre los bacilos anaerobios esporulados tenemos a los clostridios, que son bacilos grampositivos, que forman esporas; pueden descomponer proteínas y/o formar toxinas. Su hábitat natural es el suelo, donde viven en zonas anóxicas, o el intestino de algunos animales, donde también se encuentran con un ambiente anóxico; la mayoría de las especies son organismos saprofitos del suelo. Carecen de sistemas citocrómicos y de mecanismos de fosforilación por transporte de electrones, es decir, únicamente obtienen energía de la fosforilación de sustrato, por tanto, son fermentadores. Existen diversos clostridios con mecanismos productores de ácido butírico a partir de la fermentación de azucares; la diversidad y separación en géneros y subgéneros, se basa precisamente en sus propiedades y la naturaleza del sustrato fermentable.
Clostridios
Entre los bacilos anaerobios esporulados tenemos a los clostridios, que son bacilos grampositivos, que forman esporas; pueden descomponer proteínas y/o formar toxinas. Su hábitat natural es el suelo, donde viven en zonas anóxicas, o el intestino de algunos animales, donde también se encuentran con un ambiente anóxico; la mayoría de las especies son organismos saprofitos del suelo. Carecen de sistemas citocrómicos y de mecanismos de fosforilación por transporte de electrones, es decir, únicamente obtienen energía de la fosforilación de sustrato, por tanto, son fermentadores. Existen diversos clostridios con mecanismos productores de ácido butírico a partir de la fermentación de azucares; la diversidad y separación en géneros y subgéneros, se basa precisamente en sus propiedades y la naturaleza del sustrato fermentable.
Morfología e identificación.
- Organismos típicos: Todas las especies de clostridios son bacilos grampositivos grandes, y todos producir esporas, que son generalmente mayores que el diámetro de los bacilos que las forman.
- Cultivo Crecen solamente en condiciones de anaerobiosis, que pueden lograrse mediante los siguientes métodos: a) Colocando placas de agar o tubos de cultivo en un recipiente hermético. Del que se extrae el aire, reemplazándolo por nitrógeno con 10% de CO2. b)Medios líquidos en tubos llenos hasta cierta altura, conteniendo tejidos animales (carne picada) o 0.1% de agar y un agente reductor, por ejemplo tioglicolato. Pueden manejarse como cultivos aerobios, pero el crecimiento se presentara desde el fondo y hasta 15mm por debajo de la superficie expuesta al aire.
- Forma de la colonia: Algunos producen colonias grandes, elevadas y con bordes externos. En la mayoría se produce una zona de hemolisis en gelosa sangre.
- Características del crecimiento: La principal es su incapacidad para utilizar oxigeno como aceptor final de hidrogeno; carecen de citocromo y de citocromo-oxidasa, y son incapaces de demoler el peróxido de hidrogeno. Los clostridios pueden fermentar una gran variedad de azucares.
- Características antigénicas: Los clostridios comparten antígenos pero, parecen poseer antígenos específicos solubles que permiten su agrupación usando pruebas de precipitación. (Jawetz., et Al., 1977).
Los pasos y la bioquímica
implicados en la génesis de ácido butírico y butanol, son bien conocidas.
Primero la glucosa se convierte en butirato por medio de Embden-Meyerhof,
posteriormente el Piruvato es roto en acetil-CoA e hidrogeno mediante una
reacción fosforoclástica, el acetil coA es reducido a productos de fermentación
con la ayuda de NADH derivado de la ruta glucolítica. El ácido acético y
butírico están presentes en los estadios primarios de la fermentación, a medida
que el pH desciende, la síntesis de ácidos se detiene y comienza la producción
de acetona y butanol (neutros), sin embargo, si el pH se mantiene neutral con
ayuda de CaCO3, se disminuye notablemente la producción de neutros,
que quedan constituidos entonces por tres cuartas partes de butanol y una de
acetona.
Existe otro grupo de clostridios
mediante la fermentación de parejas de aminoácidos, en lo que se conoce como reacción de Stickland, donde
básicamente un aminoácido es donador de electrones y es oxidado mientras el
otro acepta electrones y es reducido. Sus productos siempre son NH3,
CO2 y acido carboxílico con un átomo de carbono menos.
Los aminoácidos fermentables
son: alanina, cisteína, glutamato, serina, glicina, histidina o treonina,
produciendo, generalmente, acetato, butirato, CO2 y H2.
(Brock., 2003)
Entre los microorganismos
productores de butanol tenemos:
· C.
acetobutylicum.- Usada por
primera vez en 1916 para la producción de acetona, butanol y etanol a partir de
almidón (Weizmann), resultando en 3 partes de acetona, 6 de butanol y 1 de
etanol. Junto a otros Clostridium puede digerir suero de leche, azúcar,
almidón, celulosa y lignina. Es capaz de utilizar la xilosa y tiene una baja
sensibilidad a los compuestos inhibidores de la fermentación que se producen
durante el pretratamiento.[3]
· C.
butyricum.- Es una endoespora,
que puede encontrarse en el suelo, heces, leche agria y queso. Es un Gram
positivo, que fermenta en presencia de amilopectinas.[3]
· C.
butylicum.- Es fenotípicamente
muy similar al C. beijerinckii, a
continuación mencionado, sin embargo, este microorganismo fue empleado para la
fermentación de solventes desde 1950, utilizando, principalmente, almidones
provenientes de puré de papa. Una de las diferencias con el C. beijerinckii, radica en ello, puesto
que la antes mencionada es incapaz de fermentar almidones –aunque se han
encontrado cepas que pueden hacerlo-, mientras que la C. butylicum no puede fermentar purés de maíz.[3]
·
C.beijerinckii.-
Es el de mayor potencial para
la producción de butanol a nivel industrial, debido a su capacidad para
fermentar un mayor número de azucares, y a que su rango de pH es mayor (óptimo)
para las fases de crecimiento y producción de solventes. Su desventaja es que
el uso de azúcar representa un alto coste; sin embargo, puede cambiarse por
materias residuales y biomasa de origen lignocelulósico. Puede producir
butanol, acetona y/o isopropanol en condiciones anaerobias a 37°C; la
flexibilidad de este microorganismo le permite aceptar gran cantidad de
materias primas, que pueden ir desde residuos agrícolas, como paja de trigo o
maíz, hasta residuos forestales, de madera, licores (industria del papel),
residuos de la industria algodonera, bagazo de caña de azúcar y fibra de maíz.
Sin embargo, se requiere de un tratamiento especial para obtener azucares
fermentables. Sus principales ventajas
radican en, su bajo costo de mantenimiento, la estabilidad degenerativa y su
buena capacidad de adaptación a procesos continuos. [3]
A continuación tenemos una tabla
que contiene la producción de diversos solventes:
Tabla 4. Producción de solventes con anaerobios
seleccionados en un medio de peptona con extracto de glucosa (fragmento).
(George., et Al., 1982).
Especie
|
Cepa
|
Producción
de solventes (mM)
|
|||
VPI no.
|
Otra no.
|
Acetona
|
Isopropanol
|
n-Butanol
|
|
C.
beijerinckii
|
5481(tipo)
|
ATCC 25752
|
6.0
|
-
|
67.9
|
4635
|
-
|
10.2
|
-
|
69.6
|
|
2697
|
-
|
8.7
|
-
|
55.2
|
|
4419
|
ATCC 11914
|
2.3
|
-
|
17.0
|
|
2408
|
-
|
-
|
-
|
4.4
|
|
4213
|
ATCC 14949
|
-
|
-
|
-
|
|
2983
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
2968
|
-
|
-
|
9.8
|
44.8
|
|
2982
|
-
|
-
|
1.6
|
41.3
|
|
C.
butylicum
|
2776
|
-
|
-
|
-
|
-
|
2844
|
ATCC 14823
|
-
|
-
|
-
|
|
13436
|
NRRL B-592
|
19.0
|
-
|
60.4
|
|
13437
|
NRRL B-593
|
-
|
8.0
|
61.7
|
|
C.
acetobutylicum
|
2673
|
McClung 633
|
22.3
|
-
|
41.3
|
13697
|
ATCC 4259
|
6.2
|
-
|
19.5
|
|
13698
|
NRRL B-527
|
6.8
|
-
|
17.1
|
|
(←ATCC 824)
|
|||||
13693
|
ATCC 8529
|
1.7
|
-
|
4.5
|
|
2676
|
McClung 635
|
1.1
|
-
|
3.3
|
|
13696(T)
|
ATCC 824
|
-
|
-
|
2.4
|
|
13692
|
ATCC 10132
|
-
|
-
|
-
|
|
Referencias bibliográficas
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[1]Disponible
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[2]Disponible en línea
en http://www.ojocientifico.com. Consulta: 10 enero 2014. [3] Disponible en línea en http://www.wikipedia.com. Consulta: 10-25 enero 2014.
[4] Disponible en línea
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[5] Disponible en línea
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