IntercienciaAsociacin Intercienciainterciencia@ivic.ve ISSN (Versin impresa): 0378-1844VENEZUELA

2005 scar Julin Snchez / Carlos Ariel Cardona

PRODUCCIN BIOTECNOLGICA DE ALCOHOL CARBURANTE I: OBTENCIN A PARTIR DE DIFERENTES MATERIAS PRIMAS Interciencia, noviembre, ao/vol. 30, nmero 011

Asociacin Interciencia Caracas, Venezuela

pp. 671-678

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxico

villalobosNota adhesivapagina 5 tabla de produccion de etanol apartir de diferentes mat prim

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villalobosNota adhesiva

NOV 2005, VOL. 30 N 11 671

PALABRAS CLAVE / Aditivos Oxigenantes / Alcohol Carburante / Almidn / Biomasa Lignocelulsica / Caa de Azcar /Recibido: 25/07/2005. Modificado: 10/10/2005. Aceptado: 11/10/2005.

scar Julin Snchez. Ingeniero Qumico, M.Sc. en Biotecnologa, Academia Estatal de Tec-nologa Qumica Fina de Mosc, Rusia. Estudiante del Doctorado en Ingeniera, Universidad Nacional de Colombia, sedeManizales, Colombia. Profesor, Universidad de Caldas, Colombia. e-mail: osanchez@ucaldas.edu.co

Carlos Ariel Cardona. Ingeniero Qumico, M.Sc. en Ingeniera Qumica, Ph.D. en IngenieraQumica, Academia Estatal de Tecnologa Qumica Fina de Mosc, Rusia. Profesor, Universidad Nacional de Colombia sedeManizales, Colombia. Direccin: Carrera 27 No. 64-60, Of. F-505. Manizales, Colombia. e-mail: ccardonaal@unal.edu.co

PRODUCCIN BIOTECNOLGICA DE ALCOHOLCARBURANTE I: OBTENCIN A PARTIR

DE DIFERENTES MATERIAS PRIMAS

SCAR JULIN SNCHEZy CARLOS ARIEL CARDONA

l mundo encara el agota-miento progresivo de susrecursos energticos basa-

dos mayoritariamente en combustibles no re-novables. Al mismo tiempo, el consumo deenerga aumenta a ritmos cada vez ms cre-cientes. De otro lado, el consumo global decombustibles genera enormes cantidades degases contaminantes que son liberados a la at-msfera. Este tipo de contaminacin ha cau-sado cambios en el clima del planeta, por loque se ha convertido en una de las problem-ticas que ms preocupan a los gobiernos, lasONGs, las comunidades y la opinin pblicaen general (FNB, 2004). La nica forma deencarar esta problemtica es mediante recur-sos energticos renovables. Para ello, la bio-tecnologa ofrece mltiples alternativas tecno-lgicas. Una solucin renovable es el uso deenerga solar en forma de biomasa, la cualest representada en los materiales lignocelu-lsicos y los cultivos de plantas ricas en ener-ga. Las emisiones de CO2 generadas por laproduccin y uso de biocombustibles soncompensadas por la absorcin de CO2 duran-te el crecimiento de las plantas y de otrosmateriales vegetales, a partir de los cuales di-chos combustibles se producen. Cannell(2003) destaca que una hectrea de cultivosricos en energa usada para la produccin debiocombustibles lquidos (bioetanol, biodiesel)puede evitar la emisin de 0,2-2,0 ton de car-bono a la atmsfera en comparacin con elempleo de combustibles fsiles.

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Para un pas como losEEUU, la produccin masiva de biocombus-tibles representara el regreso de dinero ypuestos de trabajo a la economa, sin men-cionar que el desarrollo de cultivos energti-cos implicara un impulso al sector rural(Sheehan y Himmel, 1999). Este argumentoes an ms vlido para la mayora de lospases latinoamericanos, considerando laperspectiva de una reduccin de las reservascomprobadas de petrleo en un plazo de 5-10 aos. Una parte importante del PIB decada pas tendra que destinarse a la comprade petrleo cuya perspectiva de precios esmuy incierta, a lo que hay que agregar la fe-roz competencia que encaran los productosagrcolas de los pases latinoamericanosfrente a los enormes subsidios destinados alsector primario por los pases desarrollados.Por ello es de importancia estratgica la di-versificacin de la agricultura a travs decultivos ricos en energa (caa de azcar,palma africana, sorgo, yuca, entre otros).

El biocombustible msimportante es el alcohol carburante (etanol,EtOH), el cual puede ser utilizado comooxigenante de la gasolina, elevando su con-tenido en O2, lo que permite una mayorcombustin de la misma disminuyendo lasemisiones contaminantes de hidrocarburosno oxidados completamente. El EtOH se ob-tiene a partir de la caa de azcar en pasestropicales como Brasil e India. En algunospases europeos como Francia se utilizan

melazas de remolacha azucarera. La materiaprima principal para la obtencin de EtOHen los EEUU es el almidn (Madson yMonceaux, 1995). Se considera que la deno-minada biomasa lignocelulsica, que incluyeresiduos agrcolas, forestales y slidos urba-nos, as como residuos agroindustriales, dela industria de alimentos y de otras indus-trias, comprende aproximadamente el 50%de la biomasa en el mundo (Claassen et al.,1999). Esta biomasa es un recurso que pue-de ser procesado de diferentes formas parala obtencin de una gran variedad de pro-ductos adems del EtOH como gas de snte-sis, metanol, hidrgeno y electricidad (Chumy Overend, 2001).

Oxigenantes para la Gasolina

La gasolina necesita deaditivos que aumenten su octanaje y as dis-minuir su capacidad autodetonante, incre-mentando su resistencia a la compresin. Enla primera mitad del siglo pasado, se utilizel tetraetil plomo (TEP) como antidetonante,pero estudios posteriores sugirieron que porcada litro de gasolina consumida se formaba1g de xido de plomo (Nadim et al., 2001).Fue solo en enero de 1996 que la gasolinacon plomo fue prohibida en EEUU. En Co-lombia tambin fue prohibida, pero en mu-chos pases todava se utiliza como es elcaso de Ecuador, Per y la mayora de pa-ses africanos (Thomas y Kwong, 2001). La

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tienen la ventaja adicional de tolerar concen-traciones relativamente altas de EtOH (hasta150gL-1).

Entre las bacterias, la mspromisoria es Zymomonas mobilis, la cualconvierte 1 mol de hexosa en 1 mol deEtOH, liberando tan slo 1 mol de ATP, loque resulta en mayores rendimientos (hastaun 97% del mximo terico). Esta bacteriatiene una alta tolerancia al alcohol (100gL-1), pero su rango de sustratos fermentableses tambin muy estrecho (glucosa, fructosa ysacarosa; Claassen et al., 1999; Hawgood etal., 1985). Adems, su uso en los cultivos apartir de jarabe de caa de azcar conlleva ala formacin del polisacrido levano, el cualaumenta la viscosidad de los caldos de fer-mentacin, y de sorbitol, lo cual reduce laeficiencia de la conversin de sacarosa aEtOH (Doelle y Doelle, 1989; Grote yRogers, 1985). Se han evaluado otros micro-organismos con capacidad de hidrolizar lacelulosa, de asimilar pentosas y de trabajaren condiciones termoflicas, ya que el incre-mento de la temperatura acelera los procesosmetablicos y disminuye las necesidades derefrigeracin. Entre los microorganismos deeste tipo se encuentran levaduras comoPichia stipitis, Candida shehatae y Pachyso-len tannophilus, pero su tasa de produccinde EtOH a partir de glucosa es por lo me-nos 5 veces menor a la observada para S.cerevisiae (Claassen et al., 1999). Otro gru-po importante de microorganismos producto-res de EtOH son los clostridios termoflicosy sacarolticos como Clostridium thermo-hydrosulfuricum, C. thermosaccharolyticumy C. thermocellum, los cuales pueden sinteti-zar hasta 2 mol de EtOH por mol de hexo-sa. La principal desventaja es que su toleran-cia al alcohol es muy baja, por lo que lasmximas concentraciones alcanzadas son demenos de 30gL-1.

La mayor parte del EtOHes producido mediante fermentacin por lo-tes. La concentracin de sustrato al inicio dela fermentacin es de 15-25% (p/v) y el pHse ajusta a un valor de 4-5 para disminuirlos riesgos de infeccin. El proceso se llevaa cabo a 30-35C. Generalmente el rendi-miento es del 90% del mximo terico. Elresto del sustrato es convertido en biomasa yotros metabolitos. La concentracin de EtOHal trmino de la fermentacin es de 80-100gL-1 (Claassen, 1999). En la mayora delas destileras, el tiempo de fermentacin esde 24h, aumentndose 6 h para la sedimen-tacin de las levaduras en los tanques(Pandey y Agarwal, 1993).

Alcohol a partir de Caa de Azcar

La principal materia primapara la produccin de EtOH es la caa deazcar, ya sea en forma de jugo de caa ocomo melazas (subproducto de la industria

adicin de oxigenantes a la gasolina empezen 1979 con el uso del metil ter-butil ter(MTBE), el cual permite la reduccin en laemisin de compuestos aromticos (benceno,tolueno, etilbenceno y xilenos) y demonxido de carbono (CO) al realizarse unacombustin ms completa hasta CO2. Sinembargo el MTBE tiene baja biodegradabili-dad, lo que causa su gran movilidad; se hanencontrado trazas de MTBE en cursos deagua naturales y manantiales, por lo que seha regulado su sustitucin por otrosoxigenantes (Braids, 2001). Se han explora-do otros aditivos como el etil ter-butil ter(ETBE), el ter-amil metil ter (TAME) y eldi-isopropil ter (DIPE; Cardona et al.,2000), pero sus propiedades son muy simila-res al MTBE (Nadim et al., 2001).

El uso de EtOH comooxigenante representa varias ventajas: mayorcontenido de O2 (menor cantidad de aditivorequerido), mayor octanaje, no es txico, re-duce ms las emisiones de CO y no conta-mina las fuentes de agua (Thomas y Kwong,2001). Pero su produccin es ms costosa, lagasolina mezclada con EtOH conduce laelectricidad y su presin de vapor de Reides ms alta, lo que implica una mayor vola-tilizacin que contribuye a la emisin de hi-drocarburos (HC) no quemados y posteriorformacin de ozono y de smog (Thomas yKwong, 2001). De otro lado, el EtOH puedeser utilizado como materia prima en la pro-duccin de ETBE (Ancilloti y Fattore,1998).

Brasil es el principal pro-ductor mundial de EtOH. A travs del pro-grama Proalcool (Rosillo-Calle y Hall, 1987)en Brasil se ha utilizado el alcohol hidratadocomo combustible y el alcohol anhidrocomo oxigenante (24% v/v). Sin embargo,los ritmos de aumento en la produccin yconsumo de alcohol carburante en Brasil es-tn disminuyendo, aunque se espera unareactivacin de la produccin en el medianoplazo (Rosillo-Calle y Cortez, 1998; Whealset al., 1999). En los EEUU hay tambin unprograma de adicin de EtOH a la gasolinaque se vio impulsado especialmente por elClean Air Act Amendments de 1990. LaUnin Europea ha expedido varias directivasque prevn una meta de oxigenacin de loscombustibles del 2% en peso para 2005, ydel 5,75% para 2010 (Berg, 2004). Franciatiene un programa de obtencin de bioEtOH a partir de remolacha azucarera; laoxigenacin de la gasolina se hace en estepas a travs de la sntesis de ETBE a partirde EtOH (Poitrat, 1999). Se pronostica queEuropa se convertir en el futuro en im-portadora neta de alcohol (Berg, 2004).

En Amrica Latina, Co-lombia inicia en noviembre de 2005 la adi-cin de un 10% de EtOH a la gasolina enciudades con ms de 500000 hab. Para losaos siguientes, esta disposicin se ampliar

a todo el pas. Para responder a una deman-da interna estimada en cerca de 800mill Lpor ao, se tienen que construir entre siete ynueve plantas con una capacidad entre150000 y 300000L diarios; algunas de ellasya iniciaron la fase de construccin y mon-taje. El gobierno ha otorgado exencionestributarias a fin de apoyar los proyectos pri-vados, la mayora vinculados a la industriaazucarera (FNB, 2004). Argentina por suparte, planea para los prximos cinco aosla transicin hacia mezclas de gasolina conun 5% de EtOH. Los gobiernos de variospases han puesto en marcha programas deoxigenacin de la gasolina con EtOH, comoes el caso de Canad, China y Tailandia.

Produccin de Etanol como AlcoholCarburante

Segn datos de F.O. Licht,la produccin mundial de EtOH en 2004 fuede cerca de 41000mill de litros (RFA, 2005;Tabla I). En promedio, el 73% del EtOHproducido mundialmente corresponde a alco-hol carburante, el 17% a alcohol para bebi-das y el 10% es alcohol industrial. Los datospara el alcohol carburante tomados de diver-sas fuentes indican que Brasil y EEUU con-tabilizan el 73% de la produccin mundial(12600 y 10666mill L en 2003, respectiva-mente) aunque este porcentaje est cambian-do constantemente debido a la dinmica delmercado mundial de este biocombustible.

El microorganismo msutilizado para la obtencin de EtOH es la le-vadura Saccharomyces cerevisiae, que con-vierte las hexosas en EtOH en condicionesanaerbicas, generando 2 moles del com-puesto portador de energa en los seres vi-vos, el adenosn trifosfato (ATP), por cadamol de hexosa consumida (Claassen et al.,1999), adems de 2 moles de EtOH. Estemicroorganismo tiene tambin la capacidadde convertir las hexosas en CO2 aerbica-mente, por lo que en dependencia de lasconcentraciones de O2 en el medio de culti-vo y de la fuente de carbono, se puede favo-recer uno de los dos procesos. Las levaduras

TABLA IPRODUCCIN MUNDIAL

DE ALCOHOL ETLICO (2004)Pas Mill. litros

1. Brasil 15098,372. EEUU 13379,983. China 3648,744. India 1748,675. Francia 828,916. Rusia 749,437. Sur frica 416,358. Reino Unido 401,219. Arabia Saudita 299,01

10. Espaa 299,01Total 40764,45Adaptado de RFA (2005).

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azucarera). Se pueden obtener cerca de 70Lde EtOH/ton de caa y 9L EtOH/ton de me-laza grado C, adems de cerca de 100kg deazcar (Moreira y Goldemberg, 1999). Paraefectos de costeo, Murtagh (1995) estimque se debe esperar un rendimiento de 58galones de EtOH a partir de 1 ton demelazas que contengan un 46% de azcares.El microorganismo ms utilizado es S. cere-visiae por su capacidad de hidrolizar la saca-rosa de la caa de azcar para su conversinhasta glucosa y fructosa, dos hexosas fcil-mente asimilables; adems puede desarrollar-se en condiciones anaerbicas, pero se nece-sitan pequeas cantidades de O2 para la sn-tesis de sustancias como cidos grasos yesteroles. La reaccin general de la fermen-tacin se puede representar como

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6Sacarosa Glucosa Fructosa

C6H12O6 + S. cerevisiae 2C2H5OH + 2CO2Etanol

La fermentacin alcohli-ca puede llevarse a cabo por lotes, por lotesalimentados o en forma continua. El procesotpico de produccin de alcohol por lotes apartir de melazas o jugo de caa (denomina-do proceso Melle-Boinot), comprende la es-terilizacin de la materia prima seguida delajuste del pH con H2SO4 y de los Brix avalores de 14-22. El mosto obtenido se so-mete a fermentacin. El vino resultante sedecanta y centrifuga para recuperar el EtOH,mientras la levadura se recircula a los fer-mentadores. Para la obtencin de alcohol an-hidro se utiliza mayoritariamente la destila-cin azeotrpica con benceno (Kosaric yVelikonja, 1995).

La fermentacin por lotesalimentados implica bajos niveles de concen-tracin de sustrato en el transcurso de la fer-mentacin, mientras el alcohol se va acumu-lando en el medio. El proceso ms empleadoen Brasil para la obtencin de bioetanol es elde lotes alimentados con recirculacin de c-lulas, lo que hace que aumente la productivi-dad volumtrica. El control de la velocidad dealimentacin del medio es muy ventajoso porcuanto implica la neutralizacin del efecto in-hibitorio causado por las altas concentracionesde sustrato o de producto en el caldo de fer-mentacin. Se ha observado que la adicin desacarosa en forma lineal o exponencialmentedecreciente conlleva a aumentos en la produc-tividad de EtOH entre 10 y 14% (Echegarayet al., 2000).

Los procesos continuos tie-nen mayores ventajas frente a los procesospor lotes debido a los menores costos delbiorreactor, menores requerimientos de man-tenimiento y operacin, mejor control del pro-ceso y mayor productividad. El 30% de lasplantas productoras de bioetanol en Brasilemplean el cultivo continuo (Monte Alegre et

al., 2003). La clave de este proceso son lasmayores densidades celulares, las cuales sepueden alcanzar por inmovilizacin de clu-las, recuperacin y reciclaje de biomasa ocontrol del crecimiento celular. Sin embargo,las levaduras cultivadas por perodos prolon-gados en condiciones anaerbicas disminuyensu capacidad de producir alcohol. Adicional-mente, a tasas de dilucin altas que garanti-zan productividades elevadas, el sustrato noalcanza a ser consumido completamente, porlo que los rendimientos disminuyen. General-mente en la industria, aunque la productividades importante, es ms relevante la conversindel sustrato considerando que la mayor partede los costos de produccin corresponden a lamateria prima (Gil et al., 1991).

La compaa Alfa Lavalde Suecia mont el proceso continuo de pro-duccin de 150000L EtOH/da en Brasil(proceso Biostill). Este proceso piloto sebasa en la fermentacin en un tanque delcual se retira una corriente del lquido queva a una centrfuga. De la centrfuga se reti-ra continuamente una corriente de levaduraconcentrada que se recircula al fermentadory otra corriente sin levadura que se enva auna torre de destilacin; se logran as mayo-res rendimientos de alcohol debido a la bajaformacin de inhibidores, subproductos ybacterias en razn a los bajos tiempos de re-sidencia alcanzados para el proceso de fer-mentacin (3-6h). Este proceso fuepatentado por esta compaa (Ehnstroem,1984), lo mismo que su modificacin quealcanza rendimientos de hasta el 96% delterico (Da Silva y Vaz, 1989). Un enfoqueadicional consiste en la remocin del alcoholdel medio de cultivo con vaco o membra-nas, lo que incrementa notablemente la efi-ciencia del proceso pero implica un aumentoen los costos de capital (Coombs, 1996; Ta-bla II). Indudablemente el anlisis de losmtodos de integracin de estos procesospuede ofrecer muchas alternativas para redu-cir los costos y optimizar la produccin dealcohol en la etapa de fermentacin.

Otros desarrollos incluyenla utilizacin de clulas inmovilizadas lascuales permiten la implementacin de proce-

sos continuos con mayores rendimientos, ala vez que se posibilita el incremento de laconcentracin celular (Claassen et al., 1999).Caicedo et al. (2003) operaron unbiorreactor de columna de 200L alimentadocon melazas de caa que emplea clulas in-movilizadas de S. cerevisiae en alginato deNa, obteniendo una conversin del 61%, unrendimiento promedio de 0,45gg-1 de gluco-sa y una productividad de 1,835gL-1h-1.Wendhausen et al. (2001) evaluaron un reac-tor continuo de lecho empacado con levadu-ras inmovilizadas en microfibras de crisotila(tambin conocido como asbesto blanco),material que exhibe una capacidad excepcio-nal para fijar las levaduras, obteniendo unaproductividad promedio de 20-25 gL-1h-1.Se ha propuesto tambin la inmovilizacinde Z. mobilis en alginato de Ca en mediosbasados en sacarosa (Grote y Rogers, 1985).

Alcohol a partir de Almidn

Para obtener etanol a partirde almidn es necesario romper las cadenasde este polisacrido para obtener jarabe deglucosa, el cual se puede convertir en EtOHmediante las levaduras. Por ello, se debe in-cluir una etapa adicional de hidrlisis (rompi-miento, degradacin) de este biopolmero. Decada 100g de almidn se pueden obtener te-ricamente 111g de glucosa, lo que implicauna relacin estequiomtrica de 9:10. EnEEUU el EtOH se obtiene en mayor medidaa partir de almidn de maz. El almidn fuetradicionalmente hidrolizado mediante cidos,pero la especificidad de las enzimas, sus con-diciones suaves de reaccin y la ausencia dereacciones secundarias han hecho que lasamilasas sean los catalizadores usados paraesta tarea. Para la hidrlisis del almidn seusa la -amilasa obtenida de bacterias termo-rresistentes como Bacillus licheniformis o B.amyloliquefaciens, lo que la hace ideal para laprimera etapa de la hidrlisis de las suspen-siones de almidn que tienen que ser llevadasa altas temperaturas (90-110C) para el rom-pimiento de los grnulos de almidn, condi-cin necesaria para el tratamiento enzimtico.El producto de esta etapa o licuefaccin esuna solucin de almidn que contienedextrinas (oligosacridos compuestos por va-rias unidades de glucosa) y pequeas cantida-des de glucosa. El almidn licuado se sometea sacarificacin a menores temperaturas (60-70C) con glucoamilasa obtenida de Aspergi-llus niger o de especies de Rhizopus (Nigamy Singh, 1995), la cual hidroliza las dextrinashasta glucosa:

(C6H10O5)n Dextrinas nC6H12O6 -amilasa glucoamilasaAlmidn Glucosa

Para extraer el almidn delos granos de maz, existen dos tipos de mo-lienda en la industria, hmeda y seca. En la

TABLA IIPRODUCTIVIDAD EN

LA OBTENCIN DE ETANOL PARAVARIAS CONFIGURACIONES

Proceso Productividad,gL-1h-1

Cultivo por lotes 1,8-2,5Cultivo continuo 6Cultivo continuo en cascada

de biorreactores 20Remocin continua de etanol

por vaco 89Remocin continua de etanol

por separacin con membranas 100Fuente: Coombs (1996).

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molienda hmeda se obtiene del grano, ade-ms de almidn, fibra, gluten, germen yaceite, que son subproductos de alto valor.Los rendimientos de EtOH pueden llegar a403,1L/ton (Gulati et al., 1996). En la mo-lienda en seco no se fracciona el grano ensus componentes por lo que todos sus nu-trientes entran al proceso y son concentradosen un subproducto de destilacin empleadopara alimentacin animal llamado granos se-cos de destilera (DDG, por sus siglas en in-gls), lo que compensa en cierta medida loscostos del proceso (McAloon et al., 2000).Cuando los DDG se mezclan con solublesconcentrados provenientes de la evaporacinde las vinazas ligeras se obtienen los granossecos de destilera con solubles (DDGS;Snchez y Cardona, 2005). Los rendimientosde alcohol para la molienda en seco son de419,4-460,6 L/ton (Gulati et al., 1996).

En Francia, aunque seobtiene alcohol a partir de melazas de re-molacha azucarera, tambin se produce a

partir de trigo alcanzando rendimientos de0,357L EtOH/kg de trigo mediante el pro-ceso Biostill (Ehnstroem, 1984). Se ha re-portado la produccin de EtOH a partir deotros vegetales que ofrecen una alta con-centracin de almidn como sorgo (duPreez et al., 1985), papa, papa dulce, yuca(Nigam y Singh, 1995; Hosein yMellowes, 1989), harina de yuca y ame(Hosein y Mellowes, 1989). La yuca re-presenta una importante fuente alternativade almidn no slo para la produccin deEtOH sino para la obtencin de jarabesglucosados, considerando adems que esuno de los diez cultivos tropicales ms im-portantes. Se ha propuesto la hidrlisis dela harina de yuca para obtener solucionesde glucosa mediante un reactor enzimticode membrana de fibra hueca con conver-siones de 97,3% (Lpez-Ulibarri y Hall,1997). Uno de los cultivos ms perspecti-vos es el sorgo dulce, el cual produce gra-nos con altos contenidos de almidn, ta-

llos con altos contenidos de sacarosa y ho-jas y bagazo con alto contenido de ligno-celulosa. Esta planta se puede cultivar tan-to en pases templados como tropicales,requiere 1/3 del agua necesaria para elcultivo de la caa de azcar y la mitad dela cantidad necesaria para el maz, y esmuy resistente a la sequa, a las inunda-ciones y a condiciones de salinidad alcali-na (Winner Network, 2002; du Preez etal., 1985).

Alcohol a partir de BiomasaLignocelulsica

En el mundo se llevan acabo gran cantidad de estudios para desa-rrollar la produccin a gran escala de al-cohol a partir de biomasa lignocelulsica.Los materiales que ms se han investigadoson madera y residuos forestales, papel re-ciclado y residuos de la industria papelera,bagazo de caa, desechos agrcolas (hojas,

Mtodos

Pretratamientos fsicosPulverizadomecnico

Pirlisis

Pretratamientos fsico-qumicosExplosina vapor

Agua lquidacaliente (LHW)

Explosin defibra conamonaco(AFEX)

Explosincon CO2

Procedimiento/Agentes

Reduccin a astillas, tritu-racin, molienda.

T>300C

Vapor saturado a160-260C, p=0,69-4,85MPa por varios segundoso minutos, luego descom-presin hasta presin at-mosfrica.

Agua caliente presurizada,T=170-230C, 1-46min.

Dosis 1-2kg de amonaco/kg de biomasa seca, 90C,30min.

Dosis de 4 kg CO2/kg defibra, p=5,62 MPa.

Observaciones

Molinos: vibratorio de bolas (tamao final:0,2-2mm), de cuchillas o martillo (tamao fi-nal: 3-6mm).

Formacin de productos voltiles y carbn. Resi-duos de la pirlisis pueden someterse a hidrlisiscida suave (1N H2SO4, T=97C, 2,5h ) para pro-ducir 80-85% AR (>50% de glucosa). Puede reali-zarse al vaco: 400C, p=1mm Hg, 20min (algo-dn de desecho).

Altas concentraciones de slidos. Hidrlisis del80-100% de la hemicelulosa, destruccin departe de la xilosa obtenida, formacin de inhi-bidores, se requiere posterior lavado con agua.Al combinarse con H2SO4, SO2, o CO2 mejora laeficiencia de la posterior hidrlisis enzimtica,disminuyendo inhibidores. Reduccin de tamaocon menor gasto energtico comparado con pul-verizacin. Ocurre cierta despolimerizacin dela celulosa. La lignina no se solubiliza o lohace muy poco, pero se redistribuye.Concentraciones de slidos 50% oligmeros. Solubilizacin parcial dela lignina (20-50%). Conversin durante lahidrlisis de celulosa >90%. Baja o nula for-macin de inhibidores.Se requiere recuperacin de amonaco, no produ-ce inhibidores. Conversin durante la hidrlisisde celulosa >90% (bagazo y hierba de Bermuda).Para biomasa con alto contenido de lignina noes muy eficiente (conversin de celulosa 75% (alfalfa). No forma compuesto inhibitorios.

Ejemplos demateriales pretratados

Residuos de madera y fo-restales (paja, maderadura), desechos de maz,bagazo de caa, timothy,alfalfa.

Madera, algodn de dese-cho.

Bagazo, madera blanda,paja de arroz, maderade aspen, madera de eu-calipto.

Bagazo de caa.

Materiales herbceos (pajade trigo y cebada, cascari-lla de arroz, desechos demaz, switchgrass), resi-duos slidos urbanos, pa-pel peridico, alfalfa, asti-llas de aspen y bagazo.

Alfalfa, mezcla de papelreciclado, bagazo de caa.

Referencia

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TABLA IIIMTODOS DE PRETRATAMIENTO DE LA BIOMASA LIGNOCELULSICA PARA LA PRODUCCIN DE BIOETANOL

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ramas, hierba, frutas, paja, etc.) as comoresiduos slidos urbanos. Se ha estimadoun valor de 6 para la relacin salida/entra-da de energa en el caso de la produccinde EtOH a partir de biomasa (Berg, 2001),es decir, la relacin entre la energa libera-da durante la combustin de alcohol y laenerga necesaria para su produccin con-siderando todo el ciclo de vida del pro-ducto desde la extraccin de las materiasprimas y los insumos requeridos, pasandopor su transporte, hasta el proceso detransformacin hasta bioetanol. Lo anteriorhace a esta materia prima muy atractiva,en especial en pases que no cuentan conla facilidad de producir grandes cantidadesde caa de azcar. El valor de esta rela-cin para el EtOH producido a partir dealmidn de maz es de 1,1-1,2 (Prakash etal., 1998) y a partir de caa de azcar esde 8 (Berg, 2001). El principal reto en laproduccin de etanol a partir de biomasalignocelulsica es el pretratamiento e hi-

drlisis de la materia prima. El complejolignocelulsico est compuesto principal-mente de una matriz de carbohidratoscompuesta de celulosa y lignina enlazadapor cadenas de hemicelulosa. El pretrata-miento tiene como objetivo desintegraresta matriz de tal manera que la celulosareduzca su grado de cristalinidad y au-mente la celulosa amorfa, que es la ms

Mtodos

Pretratamientos qumicosOzonlisis

Hidrlisis concido diluido

Hidrlisis concido concentrado

Hidrlisis alcalina

Deslignificacinoxidativa

Procesoorganosolv

Pretratamiento biolgicoPretratamiento conhongos

Procedimiento/Agentes

Ozono, reaccin a tem-peratura y presin am-bientales.

H2SO4, HCl, HNO3 al1-5%. Procesos de flujocontinuo para baja cargade slidos (5-10% pesosustrato/peso mezcla) aT=160-200C; procesospor lotes a alta carga deslidos (10-40%) aT=120-160C. Presionescercanas a 1 MPa.H2SO4 al 10-30%,170-190C, relacin 1:1,6slido-lquido. cidoperactico 21-60%, siste-ma tipo silo.NaOH diluido, 24 h, 60C

Peroxidasa y H2O2 al 2%,20C, 8h.

Solventes orgnicos (me-tanol, etanol, acetona,etilenglicol,trietilenglicol, entreotros) o su mezcla con1% de H2SO4 o HCl.

Hongos de la pudricinblanca, blanda y parda.Produccin de celulasaspor fermentacin en sus-trato slido.

Observaciones

Degradacin principalmente de lignina. Conversindurante la hidrlisis de celulosa: 57% (aserrn). Nose forman inhibidores.

Hidrlisis del 80-100% de la hemicelulosa, altasconversiones de xilano a xilosa. La alta temperaturaes favorable para la hidrlisis de celulosa. Se re-quiere neutralizar el pH para la posterior hidrlisisenzimtica. Ocurre cierta despolimerizacin de lacelulosa. La lignina no se solubiliza o lo hace muypoco, pero se redistribuye.

Se requiere la recuperacin del cido. Tiempos deresidencia mayores que en la hidrlisis con cidodiluido.

Remocin de lignina 24-55% para madera dura concontenido inicial de lignina del 20%, difcil remo-cin para maderas blandas con contenidos delignina>26%. Hidrlisis de >50% de la hemicelulo-sa. Sustancial hinchamiento de la celulosa. Conver-sin durante la hidrol. de celulosa: 78,2% (paja dearroz), 67,1% (bagazo). Conversin durante la hidrol.de celulosa: proceso convencional, aprox. 54%;NaOH+H2O2, aprox. 65% (hojas de caa de azcar).Solubilizacin del 50% de la lignina y de casi latotalidad de la hemicelulosa. Conversin durante lahidrlisis de celulosa: 95% (aserrn).Ruptura de la lignina interior y de las uniones dehemicelulosa. Solubilizacin casi total de la lignina.Hidrlisis casi total de la hemicelulosa. Altos rendi-mientos de xilosa. Recuperacin de solventes y suremocin del sistema para no inhibir los procesosbiolgicos subsiguientes.

Los hongos producen celulasas, hemicelulasas y en-zimas degradadoras de lignina: ligninasas, lignin-pe-roxidasas, polifenoloxidasas, lacasas y enzimas re-ductoras de quinonas. Proceso muy lento: Pleurotusostreatus convierte el 35% de la paja de trigo enazcares reductores en cinco semanas. Hongos de lapudricin parda degradan celulosa Hongos de la pu-dricin blanca y blanda degradan celulosa y lignina.

Ejemplos demateriales pretratados

Paja de trigo, bagazo,heno verde, cacahuete,pino, paja de algodn yaserrn de lamo.Desechos de maz, ba-gazo de caa, maderade lamo, switchgrass,paja de trigo, astillas delamo.

Bagazo de caa, aserrnde madera dura.

Madera dura, pajas conbajo contenido de lignina(10-18%), desechos demaz, bagazo de caa,hojas de caa de azcar.

Bagazo de caa.

Madera de lamo.

Paja de trigo, desechos demaz.

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TABLA III (Continuacin)

pretratamientoHemicelulosa C5H10O5 + C6H12O6 + Otros azcares

Xilosa Glucosa

endoglucanasas ycelobiohidrolasas -glucosidasa(C6H10O5) 2n nC12H22O11 2nC6H12O6

Celulosa Celobiosa Glucosa

C6H12O6 + S. cerevisiae 2C2H5OH + 2CO2Etanol

3C5H10O5 + Pichia stipitis 5C2H5OH + 5CO2Etanol

adecuada para el posteriorataque enzimtico. Adicio-nalmente, la mayor partede la hemicelulosa se hi-droliza durante el pretrata-miento y la lignina se libe-ra o puede incluso des-componerse. En una etapaposterior, la celulosa libe-rada es sometida a hidrli-sis enzimtica con celula-sas exgenas, lo cual haceque se obtenga una solu-cin de azcares fermenta-

bles que contiene principalmente glucosa,as como pentosas resultantes de la hidrli-sis inicial de la hemicelulosa. Estos azca-res son posteriormente convertidos en EtOHmediante microorganismos que pueden utili-zar uno o varios de los azcares presentesen el material lignocelulsico pretratado ehidrolizado. Este complejo proceso puedeser representado por las reacciones

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El pretratamiento permiteque los rendimientos en la hidrlisis decelulosa aumenten de menos del 20% delos rendimientos tericos a valores mayo-res al 90% (Lynd, 1996). Para el pretrata-miento se han propuesto y desarrollado di-ferentes mtodos, los cuales se relacionanen la Tabla III de acuerdo a la clasifica-cin de Sun y Cheng (2002). Sin embar-go, ninguno de los mtodos de pretrata-miento propuestos se puede aplicar en for-ma genrica a las diferentes materias pri-mas (Claassen et al., 1999). Esto justificala realizacin de anlisis detallados de es-tas tecnologas en cada caso en particular.La sntesis de procesos puede aportar lasherramientas necesarias para descartar lasopciones con menos perspectivas en formapreliminar, teniendo en cuenta nuevos pro-cedimientos, esquemas y alternativas quese planteen en la etapa de diseo.

Durante el pretratamientoe hidrlisis de la biomasa lignocelulsicase forman, junto con los azcares fermen-tables, gran cantidad de compuestos quepueden inhibir la fermentacin subsiguien-te. Las sustancias inhibitorias se originancomo resultado de la hidrlisis de los dife-rentes componentes, de los cidos orgni-cos esterificados a la hemicelulosa, y delos derivados fenlicos solubilizados de lalignina. As mismo, los inhibidores se for-man a partir de productos de degradacinde los azcares solubles y de la lignina(Lynd, 1996; Palmqvist y Hahn-Hgerdal,2000a, b). Por eso, y dependiendo del tipode pretratamiento e hidrlisis utilizados, esnecesario llevar a cabo la destoxificacinde las corrientes que van a ser sometidas afermentacin. En la Tabla IV se conden-san las principales caractersticas de losmtodos de destoxificacin ms empleadospara la obtencin de bioetanol con base enla informacin compilada para hidroliza-dos de madera.

Luego del pretratamien-to, la celulosa liberada es degradada has-ta glucosa (sacarificacin), lo cual puedehacerse con cidos o enzimas (celulasas).La mayora de las celulasas comercialesson producidas a partir de Trichodermareesei, del cual se obtiene bsicamenteuna mezcla de celobiohidrolasas y endo-glucanasas (Lynd et al., 2002; Zhang yLynd, 2004). Las primeras hidrolizan losenlaces (1,4) de la cadena de celulosa apartir de los extremos no reductores oreductores liberando celobiosa o inclusiveglucosa, mientras las endoglucanasasrompen estos mismos enlaces en formaaleatoria dentro de la cadena. Desafortu-nadamente, las celobiohidrolasas son inhi-bidas por la celobiosa, por lo que seagrega -glucosidasa de otra fuente paracomplementar la accin de las celulasasde este hongo. La -glucosidasa hidroliza

la celobiosa obtenida en dos molculasde glucosa.

Las etapas de hidrlisis yfermentacin se pueden realizar en formasecuencial (hidrlisis y fermentacin sepa-radas, SHF por sus siglas en ingls) o lle-vando a cabo en una sola unidad la hidr-lisis y la fermentacin al mismo tiempo(sacarificacin y fermentacin simultneas;SSF). El microorganismo ms utilizadopara este proceso es S. cerevisiae que fer-menta las hexosas presentes en el hidroli-zado mas no las pentosas. La SSF muestramayores rendimientos de EtOH y menoresconsumos energticos, pero las temperatu-ras de operacin no son ptimas para lahidrlisis y se requiere de mayores dosisde enzimas. Wyman et al. (1992) realiza-ron una evaluacin de los rendimientos dealcohol a partir de diferentes materialeslignocelulsicos en procesos de SSF y deSHF por lotes a 37C con diferentes dosisde enzima y tiempos de proceso de 7-8das. La tusa de maz, los tallos y hojas demaz, la paja de trigo y el pasto llorn, ensu orden, alcanzaron altas tasas de hidrli-sis y altos rendimientos de EtOH durantela SSF; los diferentes tipos de maderapretratada estudiados mostraron conversio-nes similares de celulosa a EtOH y rendi-mientos ligeramente inferiores a los dese-chos de maz, los cuales presentaron losmayores valores (92-94%).

South et al. (1993) lleva-ron a cabo ensayos de SSF en reactorespor lotes adicionando celulasas a mezclasde madera dura y de lamo pretratadascon cido diluido utilizando S. cerevisiae.La conversin de celulosa alcanz a los 3das valores de 91% y 96% para la mezclade madera dura y de lamo, respectiva-mente. Se estudi tambin el comporta-miento de un reactor CSTR para la SSFcontinua de la mezcla de madera dura al-canzando conversiones del 83% y concen-traciones de EtOH de 20,6gL-1 para tiem-pos de residencia de 2-3 das. Se ensayadems la conversin microbiana directa(DMC, por sus siglas en ingls) de celulo-sa utilizando C. thermocellum que producecelulasas y a la vez fermenta la glucosahasta EtOH obteniendo mayores conver-siones para tiempos de residencia de 0,5das en comparacin con la SSF continua.

Se ha explorado la pro-duccin de EtOH a partir de residuos sli-dos urbanos (RSU). Se estima que msdel 70% de los materiales enterrados enlos rellenos sanitarios de EEUU son ligno-celulsicos (papel, cartn, desechos de jar-dn, entre otros). El proceso de obtencinde bioetanol a partir de estos residuos porhidrlisis cida ya se ha patentado(Titmas, 1999) y se ha reportado que lacompaa Masada Resource Group planeainiciar antes de 2006 la operacin de la

primera planta productora de EtOH enEEUU a partir de RSU (Ames y Werner,2003). Otro enfoque comprende la hidrli-sis enzimtica del almidn y la celulosapresentes en forma mayoritaria en losRSU de origen vegetal procedentes de pla-zas de mercado para su conversin poste-rior a EtOH (Cardona et al., 2004), resul-tando difcil la conversin de la celulosamas no la del almidn y verificndose laposibilidad de obtener alcohol a partir deestos residuos vegetales.

ConclusionesLa posibilidad de obtener

una fuente renovable de energa de fcilacceso, segura y efectiva es una de lasmetas que la humanidad debe alcanzar. Elalcohol etlico obtenido por mtodos bio-tecnolgicos se constituye en una impor-tante alternativa frente a los combustiblesfsiles. La produccin de EtOH a partir decaa de azcar muestra los menores costosde produccin, seguida por el proceso apartir de almidn de maz. Finalmente, loscostos del EtOH a partir de biomasa lig-nocelulsica siguen siendo elevados, raznpor la cual no se ha puesto en funciona-miento hasta el momento una planta co-mercial que transforme esta materia prima.Sin embargo, muchos centros de investiga-cin de diferentes pases estn adelantandoestudios con miras a disminuir estos cos-tos y llevarlos a niveles rentables para unaoperacin industrial. La globalizacin delempleo del bioetanol requiere que la tec-nologa de su obtencin a partir de bioma-sa sea desarrollada completamente. Estanecesidad de desarrollo es mucho ms pe-rentoria para aquellos pases que, comolos de Europa o Norte Amrica, no poseenlas condiciones agroecolgicas requeridaspara el cultivo de especies ricas en azca-res como la caa.

Colombia y otros paseslatinoamericanos presentan una situacinprivilegiada en este campo, al exhibir unagran disponibilidad de los tres tipos de ma-teria prima analizados. Aunque la opcinms lgica es la caa, se deben considerarlos beneficios sociales que pueda tener elempleo de otros cultivos alternativos comola yuca o el maz, o inclusive el aprovecha-miento de una gran diversidad de residuosy desechos agrcolas tpicos del trpico yde las actividades agroindustriales.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecenal Instituto Colombiano para el Desarro-llo de la Ciencia y la Tecnologa (Col-ciencias), a la Universidad Nacional deColombia sede Manizales y a la Universi-dad de Caldas, por su apoyo durante larealizacin de este trabajo.

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MtodoMtodos fsicosEvaporacin

Extraccin

Mtodos qumicosNeutralizacin

Destoxificacinalcalina(alcalinizacin)

Destoxificacinalcalina combinada

Intercambio inico

Mtodos biolgicosDestoxificacinenzimtica

Destoxificacinmicrobiana

Procedimiento/Agentes

Evaporacin, separacinde fracciones voltiles yno voltiles y dilucinde la fraccin no voltil.

Solventes orgnicos.

Ca(OH)2 CaO, pH=6,luego filtracin conmembranas o adsorcin.Ca(OH)2, pH=9-10,5,luego reajuste de pHhasta 5,5-6 con H2SO4.

KOH, pH=10, luego re-ajuste de pH hasta 6,5con HCl y adicin de1% de sulfito de sodio.Resinas de base dbilAmberlyst A20, regene-radas con amonaco(Wooley et al., 1999).

Lacasa y peroxidasa deTrametes versicolor.

Trichoderma reesei.

Fundamento

Los inhibidores voltiles sonremovidos del hidrolizado.

Los inhibidores se transfierena la fase del solvente y sonremovidos con el extracto.

Precipitacin o remocin decompuestos txicos.

Precipitacin de compuestostxicos, inestabilidad de algu-nos inhibidores a pH altos.

Disminucin de cetonas yaldehdos, remocin de com-puestos voltiles cuando secalienta el hidrolizado (90C).Remocin de inhibidores alquedar adsorbidos electrost-ticamente a una resina de in-tercambio inico.

Oxidacin enzimtica; la laca-sa remueve selectivamente loscompuestos fenlicos de bajopeso molecular y los cidosfenlicos, posiblemente porpolimerizacin oxidativa.Degradacin de inhibidorespor el hongo; remocin dec. actico, furfural y deriv.de cido benzoico.

Ejemplos

Hidroliz. de sauce: se debe reducir el contenido de cido actico y compues-tos fenlicos en la fraccin no voltil; roto-evaporacin; m.o. S. cerevisiae.Hidroliz. de aspen: aumento del rendimiento de alcohol de 0 a 93% delrendim. de la fermentacin de referencia; m.o.: Pichia stipitis; remocin de:cido actico 54%, furfural 100%, vanillina 29%; roto-evaporacin.Hidroliz. de pinabete: dietil ter (solv.); rendimiento comparable con lafermentacin de referencia; m.o. S. cerevisiae; extracto etreo contienecido actico, frmico y levulnico, furfural, hidroximetil furfural (HMF);segunda extraccin del extracto etreo con solucin de NaHCO3 neutrali-z el efecto inhibitorio de las fases resultantes.Hidroliz. de aspen: acetato de etilo (solv.); aumento del rendimiento dealcohol de 0 a 93% del rendim. de la fermentacin de referencia; m.o.:Pichia stipitis; remocin: de cido actico 56%, furfural 100%, vanillina100%, cido hidroxibenzoico 100%.Hidroliz. de pino: acetato de etilo (solv.); principales inhibidores en el ex-tracto - compuestos fenlicos de bajo peso molecular; m.o. S. cerevisiae.

Hidroliz. cido de algodn de desecho pretratado por pirlisis: rendimien-to de etanol: S. cerevisiae 0,44 g/g, Pichia sp. 0,40 g/g; diferentes mate-riales adsorbentes (Yu y Zhang, 2003).Hidroliz. cido de pinabete: rendimiento comparable con la fermentacinde referencia, reduccin de furfural y HMF del 20%.Hidroliz. de bagazo de caa pretratado por explosin a vapor: remocin decido actico, furfural y parte de compuestos fenlicos (Martn et al., 2002).Hidroliz. cido de algodn de desecho pretratado por pirlisis: rendimien-to de etanol: S. cerevisiae 0,40 g/g, Pichia sp. 0,37 g/g; diferentes mate-riales adsorbentes despus de alcalinizar (Yu y Zhang, 2003).Hidroliz. de bagazo de caa; m.o.: Pichia stipitis.Hidroliz. cido de pinabete; m.o.: S. cerevisiae.Hidroliz. de sauce; m.o.: Escherichia coli recombinante.

Hidroliz. cido de pinabete; m.o.: S. cerevisiae; remocin: de compuestosfenlicos >80%, cidos levulnico, actico y frmico casi 100%, furfural yHMF 70%; prdidas considerables de azcares fermentables.Hidroliz. cido de lamo: m.o.: Z. mobilis recombinante; remocin: de cido ac-tico 88%, H2SO4 100%; recuperacin de azcares 100% (Wooley et al., 1999).

Hidroliz. de sauce: aumenta la productividad de alcohol de 2 a 3 veces encomparacin con hidrolizados no destoxificados; m.o.: S. cerevisiae.Hidroliz. de bagazo de caa pretratado por explosin a vapor: remocindel 80% de los compuestos fenlicos (Martn et al., 2002).

Hidroliz. de sauce pretratado por explosin a vapor: aumenta la producti-vidad y el rendimiento de alcohol 3 y 4 veces respectivamente en com-paracin con hidrolizados no destoxificados; m.o.: S. cerevisiae.

TABLA IVMTODOS DE DESTOXIFICACIN DE HIDROLIZADOS DE BIOMASA LIGNOCELULSICA

PARA LA PRODUCCIN DE BIOETANOL

Observaciones: Fermentacin de referencia se refiere a la realizada en un medio basado en glucosa y sin inhibidores; m.o. - microorganismo utilizado enla fermentacin alcohlica. Adaptada de Palmqvist y Hahn-Hgerdal, 2000a.

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