Etanol celulósico – Lo básico: Conceptos y materias primas


Serie: Etanol celulósico
- Lo básico: Concepto y materias primas

1. Conceptos generales

El etanol (también conocido como alcohol etílico, alcohol para beber o simplemente alcohol) es un líquido volátil, inflamable e incoloro con la fórmula molecular C2H6O (también se puede escribir como CH3CH2OH y C2H5OH) y a menudo se abrevia como EtOH.

La Asociación Europea de Etanol Renovable (ePURE) afirma que el mercado del etanol se puede dividir en tres segmentos:
(1) Combustible: etanol utilizado como aditivo en la gasolina o como combustible alternativo.
(2) Potable: etanol utilizado para producir bebidas espirituosas, como aditivo alimentario, para la extracción de aromas, para la conservación de alimentos y la producción de vinagre blanco.
(3) Industrial: etanol utilizado como un componente químico renovable en varios productos, así como una materia prima renovable para la producción de químicos biobasados.

Dependiendo de su origen, el etanol se puede clasificar como:
- Renovable (bioetanol): se produce a partir de recursos biológicos renovables (materia prima agrícola, residuos agrícolas, residuos orgánicos, biomasa, microorganismos).
- Sintético (etanol derivado del petróleo): se genera como un derivado de la producción de etileno utilizando materias primas de origen fósil.

El etanol renovable y el sintético son químicamente indistinguibles. La única diferencia entre los dos es la composición isotópica de los átomos de carbono. El etanol sintético proviene de materias primas fósiles y el etanol renovable de materiales "contemporáneos".

Figura 1. Clasificación general del etanol según su origen

A su vez, el etanol renovable se puede clasificar como:
- Convencional (primera generación, 1G): se produce a partir de almidones o azúcares simples.
- Celulósico (segunda generación, 2G, avanzado): se produce a partir de materias primas celulósicas no aptas para el consumo humano (residuos agrícolas y forestales, cultivos lignocelulósicos).
El etanol celulósico y el etanol convencional son químicamente idénticos, la composición isotópica también es la misma. Sin embargo, el primero se produce a partir de diferentes materias primas a través de procesos más complejos.

Existen varias tecnologías que pueden usarse en la conversión de biomasa en etanol celulósico. Las tecnologías se pueden agrupar en dos vías generales:
- Conversión bioquímica (fermentación) mediante pretratamiento e hidrólisis.
- Conversión termoquímica por gasificación.

2. Materias primas

La producción de etanol convencional utiliza un proceso de fermentación para convertir almidones o azúcares simples contenidos en cultivos alimentarios.
- Azúcares simples: remolacha azucarera, caña de azúcar.
- Almidones: trigo, cebada de maíz, centeno, triticale.
La gran mayoría del etanol mundial se produce a partir del maíz o la caña de azúcar. Actualmente, las materias primas más utilizadas en Europa son el maíz, la remolacha azucarera y el trigo.

El etanol celulósico se produce a partir de biomasa lignocelulósica, que se compone principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. La biomasa lignocelulósica generalmente se puede clasificar como:
- Biomasa virgen de plantas naturales (residuos de tala convencional, residuos de fábricas de procesamiento de madera y eliminación del exceso de madera de los bosques)
- Residuos de biomasa de subproductos industriales y agrícolas. Residuos de cultivos agrícolas (paja de arroz, estofado de maíz, bagazo de caña de azúcar), estiércol, residuos sólidos municipales y residuos de procesamiento de alimentos/piensos.
- Cultivos energéticos que se cultivan específicamente para la producción de etanol celulósico. Hierbas perennes (switchgrass, Miscanthus) y cultivos leñosos de rotación corta (álamo, sauce, eucalipto).

Figura 2. Dos ejemplos de materias primas lignocelulósicas: paja de arroz (izquierda) y Miscanthus (izquierda)

La celulosa es un material estructural importante para las plantas y es la molécula biológica más abundante en el mundo. Funciona como un esqueleto que les permite estar de pie y crecer hacia el sol, resistir el estrés ambiental y bloquear las plagas. Se compone de muchas unidades de glucosa repetidas (seis azúcares de carbono, C6). La hemicelulosa es una cadena de polímero de azúcar de xilosa (cinco azúcares de carbono, C5). La lignina forma las paredes celulares duras de la planta. El proceso de producción de etanol a partir de materias primas celulósicas requiere descomponer la materia prima en azúcares fermentables (conversión bioquímica). Para lograr esto, se utilizan tecnologías innovadoras en forma de pretratamiento e hidrólisis. Una vez que se completan estos procesos, los pasos de producción restantes son similares a los utilizados para generar etanol a partir de cultivos de azúcar. La lignina no puede ser fermentada en combustibles líquidos como la celulosa y la hemicelulosa.

3. Cuestiones relacionadas con la sostenibilidad

El uso de cultivos alimentarios para la producción de biocombustibles 1G dio inicio al debate "alimentos versus combustibles". Por un lado, los críticos de los biocombustibles afirmaban que los agricultores venderían sus cultivos a los fabricantes de biocombustibles mejor pagados en lugar de a sus compradores tradicionales y, por lo tanto, crearían escasez de alimentos y rápidos aumentos de precios. Por otro lado, los partidarios afirmaban que esos efectos podían atribuirse al aumento de los costos del petróleo y no a la producción de biocombustibles. El papel de los biocombustibles en la dinámica global de los precios de los alimentos ha sido objeto de una considerable discusión y atención de los medios desde 2007. Durante ese debate, el etanol celulósico surgió como una alternativa al etanol 1G, ya que podría utilizar residuos y plantas no alimentarias cultivadas en tierras de baja calidad.

Se considera que el etanol celulósico proporciona un mejor rendimiento en términos de bajo riesgo de impactos directos e indirectos del cambio de uso del suelo (ILUC). Debido a que muchos cultivos celulósicos son perennes y las raíces siempre están presentes, protegen contra la erosión del suelo y retienen mejor el fertilizante nitrogenado. La mayoría de las fuentes celulósicas requieren un manejo mucho menos intensivo que los cultivos de granos, ahorrando los costes de combustible y dióxido de carbono asociados con las operaciones de cultivos de campo. Los beneficios climáticos de los biocombustibles celulósicos se derivan de dos fuentes: evitar el uso de materias primas de origen fósil y la mitigación de los GEI durante la producción, principalmente por la acumulación de carbono en el suelo y las emisiones evitadas.

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Referencias
[1] Raphael Slade, Ausilio Bauen and Nilay Shah: “The greenhouse gas emissions performance of cellulosic ethanol supply chains in Europe”. Biotechnology for Biofuels 2(1):15, Septiembre 2009.
[2] Randy Schnepf (Coordinador): “Cellulosic Ethanol: Feedstocks, Conversion Technologies, Economics, and Policy Options”. Congressional Research Service, 7-5700, R41460, Octubre 22, 2010.
[3] Kim Seung-Soo, Kim Jinsoo, Shin Seong-Cheol, Agblevor Foster A.: “Distinction between Bioethanol and Synthetic Ethanol in a Mixture of Gasoline Using Low Level Liquid Scintillation Counting”. Chemistry Letters 38(8):850-851, Agosto 2009.
[4] G. Philip Robertson et al.: “Cellulosic biofuel contributions to a sustainable energy future: Choices and outcomes”. Science, 30 Junio 2017: Vol. 356, Issue 6345, eaal2324.
[5] Chen-Guang Liu et al.: “Cellulosic ethanol production: Progress, challenges and strategies for solutions”. Biotechnology Advances, Volumen 37, Issue 3, Mayo–Junio 2019, Páginas 491-504.
[6] Monica Padella, Adrian O’Connell and Matteo Prussi: “What is still Limiting the Deployment of Cellulosic Ethanol? Analysis of the Current Status of the Sector”, Appl. Sci. 2019, 9, 4523; doi:10.3390/app9214523, 24 October 2019.
[7] Climate Technology Centre and Network (CTCN) - Cellulosic ethanol.
[8] Encyclopedia Britannica - Cellulosic ethanol.
[10] ETIP Bioenergy - Cellulosic ethanol.

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