Biocombustibles II: bioetanol

La producción de bioetanol como combustible sustituto o complementario líquido tiene actualmente un gran interés. La ventaja principal del etanol como combustible es que se puede producir de fuentes baratas y renovables, ricas en sacarosa, almidón o celulosa (el almidón de maíz o del trigo, la sacarosa de la remolacha o la caña de azúcar y la celulosa de la paja, desechos de la industria forestal o de residuos sólidos urbanos). Típicamente el proceso tecnológico es muy parecido al desarrollado para la producción de bebidas alcohólicas a gran escala, como la cerveza. Básicamente la materia prima o material de partida se convierte primero de forma química en monosacáridos y a continuación se utiliza para alimentar una cepa robusta de levadura en un fermentador a escala industrial. La fermentación puede producir no sólo etanol para utilizar como combustible sino también productos secundarios tales como proteínas que se pueden utilizar como alimento para animales.

Con el desarrollo de la industria de producción de bioetanol, se han ido, con el tiempo, modificando algunos aspectos en su producción. Así primero surgió el bioetanol de primera generación y posteriormente el de segunda generación.

BIOETANOL DE PRIMERA GENERACIÓN (1G)

El bioetanol de primera generación se obtiene a partir de del almidón proveniente del maíz, del trigo, de la cebada o del sorgo. El almidón es un homopolisacárido de glucosas que sirve de reserva principalmente en vegetales (el glucógeno vegetal), constituido por una mezcla química de amilosas y amilopectinas.

La amilosa es un polímero de α-D-glucopiranosas unidas por enlaces O-glicosídicos, α (1-4), mientras que la amilopectina se diferencia de la amilosa en que cada 24 o 30 restos de glucosa aparece una ramificación α (1-6) de glucosas. 

Una vez que disponemos del almidón podemos comenzar el proceso de producción de bioetanol. Primeramente debemos comenzar transformando la materia prima recolectada en producto final rico en azúcares fermentables; esto se realiza mediante el preproceso.

El preproceso se define como los pasos previos antes de la fermentación de los azúcares. Durante el preproceso los vegetales recolectados ricos pasan por varias etapas antes de la fermentación:

1) Gelatinización: los granos de maíz, cebada o trigo deben ser triturados y molidos mediante un tratamiento termo-mecánico, con dilución en agua. Además se retiran materiales sobrantes. Todo ello forma una primera pasta gelatinizada más o menos homogénea.

2) Licuefacción o clarificación: consiste en convertir todas las trazas de almidón insoluble presentes en la pasta gelatinizada en una pasta mucho más liquida. Se aplica así un tratamiento de enfriado y de adicción de enzimas como la α-amilasa (E.C 3.2.1.1). Esta enzima con su actividad endoamilasa puede hidrolizar los enlaces α (1-4) entre glucosas, reduciendo los macro-polímeros a polímeros más sencillos y solubles, clarificando así la muestra.

3) Sacarificación: consiste en transformar los polisacáridos sencillos de la clarificación en azúcares fermentables. Para ello se utilizan enzimas como la glucoamilasa (E.C. 3.2.1.3) que hidrolizan unidades de glucosa actuando en extremos no reductores, la β-amilasas (E.C. 3.2.1.2) que hidroliza el almidón, actuando en los extremos no reductores, liberando maltosas y la pululanasa o enzima des-ramificante (EC 3.2.1.41)  que hidroliza los enlaces α(1-6) glucosídicos, quitando así las ramificaciones de amilopectina. Al final obtenemos la mezcla sacarificada rica en D-glucosas.

4) Purificación: a continuación se purifica la mezcla sacarificada, enriqueciendo la solución final en azúcares fermentables en forma de D-glucosas.

Tras el preproceso, en el cual hemos hidrolizado el almidón a muchas unidades de D-glucosas que pueden ser fermentadas, se inicia el proceso de fermentación.

El proceso de fermentación es llevado a cabo por microorganismo como Saccharomyces cerevisiae o Zymomonas mobilis, en condiciones anaerobias. Todo el proceso fermentativo se realiza en tanques discontinuos ya que el etanol que producen es tóxico para su crecimiento, de forma que vamos pasando cargas sin afectar a su desarrollo. Para optimizar el proceso, los microorganismos pueden inmovilizarse en soportes sólidos como cerámica.

Finalmente el bioetanol producido es destilado, para aumentar su pureza.

El bioetanol de primera generación también se puede obtener a partir de materias primas como la caña de azúcar que ya dispone de azúcares simples y/o fermentables directamente por las levaduras, evitando así el paso del preproceso. Sin embargo, estas materias primas son mucho más caras, que las ricas en almidón.

BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACIÓN (2G)

El bioetanol de segunda generación se obtiene a partir de residuos agrícolas, forestales, industriales o urbanos. Estos desechos están muy enriquecidos en celulosas, hemicelulosas y ligninas.

La celulosa es un homopolisacárido estructural que constituye el principal componente de la pared celular de las células vegetales. Está formado por miles de moléculas de D-glucopiranosas unidas por enlaces O-glicosídicos β (1-4) en cadenas lineales no ramificadas que a su vez se unen entre sí por puentes de hidrógeno.

Las hemicelulosas que son heteropolisacáridos formados por un conjunto heterogéneo de polisacáridos, a su vez formados por un solo tipo de monosacáridos unidos por enlaces β (1-4), fundamentalmente xilosa, arabinosa, galactosa, manosa, glucosa y ácido glucurónico, que forman una cadena lineal ramificada.

La lignina que son polímeros con una unidad básica de fenilpropano (propil-benceno) con diferentes sustituyentes, y que se entrecruzan con los polisacáridos.

Como en el bioetanol de primera generación, estos componentes presente en los residuos forestales, agrícolas o industriales/urbanos deben ser transformados en azúcares fermentables mediante un preproceso complejo. Así sucede con las celulosas y las hemicelulosas, sin embargo, la lignina no dispone de azúcares fermentables por lo que no interesa para producir bioetanol, por lo que se procede a su eliminación a nivel industrial. La lignina sobrante se utiliza en la industria química para la obtención de fenoles y otros compuestos aromáticos; también en biotransformaciones con Phanerochaete crysosporium.

Básicamente estos residuos son triturados termo-mecánicamente y sometidos a un tratamiento enzimático, con microorganismos completos o mezclas enzimáticas purificadas. Al ser unos componentes tan heterogéneos aparecen diferentes fases solubles o no en agua

Para hidrolizar la celulosa y la hemicelulosas se utilizan diferentes actividades enzimáticas que se presentan en la tabla.

Una vez obtenida la mezcla de azúcares fermentables, procedemos al proceso fermentativo. El proceso de fermentación es llevado a cabo por microorganismo como Saccharomyces cerevisiae o Zymomonas mobilis, en condiciones anaerobias, que convierten la glucosa en bioetanol. Todo el proceso fermentativo se realiza en tanques discontinuos ya que el etanol que producen es tóxico para su crecimiento, de forma que vamos pasando cargas sin afectar a su desarrollo. Los xilanos, procedentes de la hidrólisis en el preproceso de las hemicelulosas, pueden ser fermentados por determinados microorganismos como los que aparecen en la tabla.

Para realizar el proceso mediante microorganismos más baratos, en menores pasos y con mayor eficiencia, se han modificado genéticamente ciertos microorganismos como Zymomonas mobilis o Escherichia coli, siendo capaces de fermentar glucosas y xilanos.

Además los microorganismos fermentadores pueden inmovilizarse en soportes sólidos como cerámica para optimizar el proceso.

En el paso final el bioetanol producido es destilado, para aumentar su pureza. Se trata de un paso un tanto complejo, dado las grandes cantidades de residuos que quedan en el medio, por lo que muchos de los esfuerzos se están destinando a incrementar la eficacia hidrolítica del preproceso.