4 BIOETANOL El bioetanol es un biocombustible de origen vegetal que se produce a partir de la fermentación de materia orgánica rica en azúcar (caña, remolacha o vino), así como de la transformación en azúcar del almidón presente en los cereales. Se utiliza en motores de explosión como aditivo o sustitutivo de la gasolina. La producción de bioetanol se basa en un proceso bien conocido: la fermentación alcohólica. En todos los casos se parte de almidón o celulosa. Una vez hidrolizados para obtener glucosa, ésta se somete a fermentación de donde se obtiene el etanol. En las primeras etapas de la fermentación, cada molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico. A partir de dicho ácido, diferentes rutas metabólicas conducen a la formación de otros tantos productos finales. En la fermentación alcohólica, que llevan a cabo las levaduras, el producto final resultante es el etanol y, en menor proporción otro alcohol, butanodiol. Las rutas fermentativas alternativas que se resumen en la figura 3.1 son activadas por diferentes bacterias aeróbicas o anaeróbicas que compiten con las levaduras. Cuanto mayor sea la proporción de estas bacterias en el cultivo, tanto menor será la cantidad de etanol obtenida como producto final de la fermentación. El bioetanol es el biocombustible con mayor producción mundial, del que se elaboraron más de 40.000 millones de litros durante el año 2004 en todo el mundo. Como fuente de glucosa se utilizan materiales muy diversos. Grano de maíz, caña de azúcar, celulosa de la madera, sorgo, patatas, trigo e incluso residuos vegetales ricos en fibras son los materiales más comúnmente empleados. Durante el año 200X Brasil produjo 15.066 millones de litros, principalmente de caña de azúcar y EE.UU. 13.351 millones de litros, procedentes del almidón del maíz. El riesgo de competencia de la producción de etanol por los alimentos ricos en carbohidratos resulta evidente. En cualquier caso, tanto el cultivo propiamente dicho como la posterior transformación industrial requieren el consumo de una cantidad considerable de energía la mayor parte de la cual tiene origen fósil. Analizaremos a continuación las entradas de energía que resultan más comunes en diferentes cultivos y en la transformación industrial posterior a que se someten las plantas hasta obtener finalmente el bioetanol. El bioetanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Otra alternativa para el uso del bioetanol como combustible es transformarlo para su utilización como aditivo de la gasolina, en lugar de cómo su sustituto. Para ajustar el octanaje y reducir las emisiones contaminantes se añaden aditivos oxigenantes tales como el metanol, etanol, tercbutil alcohol (TBA) o el metil-tercbutil C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 77
éter (MTBE). En los últimos años el etil-tercbutil éter (ETBE) se está imponiendo sobre los otros aditivos por ser sus emisiones de hidrocarburos menos tóxicas. En España todo el etanol dedicado a la automoción es convertido a ETBE. El Bioetanol de maíz. El maíz es una gramínea que posee fotosíntesis de tipo C4. Su cultivo produce una gran cantidad de biomasa, de la que se aprovecha cerca del 50 por ciento en forma de grano. El resto, corresponde a diversas estructuras de la planta: caña, hoja, limbos y mazorca entre otros. Con agricultura mecanizada la producción por hectárea se sitúa, en promedio, alrededor de los 9000 kg/ha (peso fresco de grano, con un contenido del 15 por ciento de agua) y, en condiciones muy favorables, puede llegar a alcanzar valores de 10000 kg/ha. El grano representa aproximadamente la mitad del peso seco aéreo de la planta (tabla 4.1). En la composición típica promedio del grano de maíz, que constituye la materia prima para la producción de bioetanol, un 66 por ciento de su biomasa (peso seco, una vez descontado el 15 por ciento de humedad que se considera un valor estándar) corresponde al almidón, un 3.9 por ciento son aceites y cerca de un 29 por ciento corresponde al gluten con diferentes proporciones de proteínas. La producción de biomasa residual (cañas, hojas, chalas y mazorcas), oscila entre 7 y 10 toneladas de peso seco por hectárea. Figura 4. 1. Rutas fermentativas de la glucosa una vez hidrolizado el almidón contenido en el grano de maíz o en la celulosa. En la primera fase, cada molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de piruvato. A partir de aquí sólo las rutas que conducen al etanol y butanodiol son activadas por la levadura. Las restantes rutas alternativas son activadas por bacterias aeróbicas o anaeróbicas. Algunas de estas bacterias están presentes en el caldo de fermentación. Naturalmente estas cifras tan elevadas de producción sólo resultan posibles invirtiendo cantidades considerables de energía en el cultivo. En primer lugar el cultivo de maíz requiere grandes cantidades de fertilizantes hasta el punto que el 40 por ciento de todo el nitrógeno mundial destinado a fertilizantes se dedica a la producción de maíz. Además el maíz requiere unos 1000 mm de agua lo que supone que, una parte de la producción, se obtiene en cultivos de regadío. Además de consumir importantes cantidades de agua, ésta debe de ser bombeada y transportada a expensas de un consumo de energía eléctrica. La producción de maíz sólo se logra invirtiendo una cantidad considerable de energía fósil (petróleo) en forma de fertilizantes, herbicidas e insecticidas, gasoil consumido en la maquinaria agrícola, electricidad utilizada en los regadíos y transporte asociado al cultivo. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 78
Tabla 4.1. Composición típica de la planta de maíz Componente de la planta Porcentaje del peso Biomasa seco (%) kg PS/ha Coronta 11.8 1811 Grano 49.7 7629 Total espiga 61.5 9441 Panoja o limbos 12.0 1842 Tallos 17.6 2702 Brácteas de la espiga (chalas) 8.9 1366 Total caña 38.5 5910 Total planta 100 15350 La tabla 4.2 resume las entradas energéticas al cultivo de una ha de maíz. En la última columna de dicha tabla se determinan las emisiones de CO 2 asociadas a las diferentes entradas de energía del cultivo. La producción de una hectárea de maíz (18 tm de biomasa seca de las cuales algo menos de 9 tm el 50 por ciento- corresponden al grano) supone la fijación de 9 toneladas de carbono (sin contabilizar la biomasa subterránea) que equivalen a 33 toneladas de CO 2 de las cuales 4.5 toneladas de carbono, equivalentes a 16.5 toneladas de CO 2 se fijan en la producción del grano. La energía invertida en el cultivo de una hectárea de maíz asciende a 5145 Mcal/ha que provocan unas emisiones de 1900 kg de CO 2 con lo que podemos considerar que el cultivo de una hectárea de maíz tiene un balance neto de fijación de algo más de 30 tm de CO 2. Resulta interesante comprobar en la tabla 4.2 que, de los 1900 kg de CO 2 emitidos en las labores del cultivo, casi una tercera parte (563 kg) se origina como consecuencia de la fertilización con nitrógeno, de lejos el componente más caro, en términos de emisiones de CO 2, del cultivo. Producción industrial de bioetanol por fermentación de la glucosa. Muy esquemáticamente, en la planta industrial el grano de maíz se tritura con un molino y el almidón contenido en el triturado se hidroliza para obtener glucosa. Se utilizan principalmente dos alternativas: proceso de molienda húmeda y molienda en seco. La molienda húmeda se aplica normalmente en plantas con grandes producciones de alcohol y es mayoritariamente utilizada por los productores estadounidenses. El proceso comienza con el secado de los granos, posteriormente se inspeccionan automáticamente y se limpian de piedras, trozos de caña o paja y cualquier otra impureza. Posteriormente, el maíz se remoja en grandes tanques en una solución que contiene agua a una temperatura de unos 50 ºC y pequeñas cantidades de dióxido de azufre y ácido láctico. Estos dos productos químicos ayudan a ablandar los granos, en un proceso que puede durar entre uno y dos días. Durante este tiempo el maíz se hincha y se ablanda y, debido a las condiciones ligeramente ácidas de la disolución, se libera el almidón. La siguiente parte del proceso consiste en pasarlo a través de un separador que hace que el germen de los granos flote en la parte superior de la mezcla debido a su contenido en aceite de modo que se pueden recuperar con facilidad. A partir de ahí se obtiene la parte fibrosa y posteriormente se separa el almidón de las proteínas aplicando un proceso de centrifugación. En la molienda seca se limpian y muelen los granos de cereal hasta reducirlos a finas partículas por un sistema mecánico. Se produce una harina con el germen, la fibra y la fécula del maíz. La harina es hidrolizada o convertida en sacarosa usando enzimas o una disolución ácida. La mezcla es enfriada y se le añade la levadura para que comience a fermentar. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 79
Las moléculas de almidón están constituidas por puentes glucosídicos que mantienen unidas dos moléculas de glucosa deshidratadas. La hidrólisis consiste en la ruptura de los puentes glucosídicos. En la hidrólisis, cada molécula de glucosa gana una molécula de agua. Figura 4.2. Las moléculas de almidón están constituidas por puentes glucosídicos (en amarillo) que mantienen unidas dos moléculas de glucosa deshidratadas. La hidrólisis consiste en la ruptura de los puentes glucosídicos. En la hidrólisis cada molécula de glucosa gana una molécula de agua. La glucosa se somete a un proceso de fermentación, con el que se obtiene etanol y una fracción menor de otros bioalcoholes. Aunque el proceso de fermentación de la glucosa producido por levaduras es complejo, se puede resumir estequiométricamente como: CH O 2CHCHOH 2CO 6 12 6 3 2 2 El peso molecular de la glucosa es de 180 g y cada molécula de glucosa da origen a dos moléculas de etanol (peso molecular 46 g) y dos moléculas de CO 2 (peso molecular 44 g) con lo que la glucosa se transforma en etanol con una eficiencia teórica del (2x46)/180=0.51. En la fermentación de la glucosa 49 por ciento de su masa se oxida a CO 2 y resulta una disolución de etanol al 8 por ciento. Dado que un kg de maíz contiene 1000x(1-0.15)x0.66 = 561 gramos de almidón, descontado el 15 por ciento de humedad, permite obtener en teoría (0.56x180/162)x0.51=0.317 kg de etanol o, si se prefiere, para obtener un kg de etanol se requieren 3.15 kg de maíz. Una hectárea de cultivo, que produce en promedio 8976 kg de grano, permite obtener 8976*0.317=2845 kg de etanol. Dada la densidad del bioetanol (0.79 g/cm 3, tabla 3.5), la producción de un litro de etanol requiere, en teoría, 2.48 kg de maíz. Naturalmente se trata de un rendimiento máximo ya que, en la práctica, se producen pérdidas con lo que los procesos de fermentación y destilado del etanol se producen con una eficiencia próxima al 85 por ciento. En estas condiciones la producción de un litro de etanol requiere 2.48/0.85= 2.9 kg de grano de maíz. Una hectárea de maíz puede producir, por tanto, unos 3100 litros de etanol. En el caldo de fermentación se añaden 15 litros de agua por cada litro de etanol producido, lo que supone, el bombeo y transporte de 15000 litros de agua por cada 1000 litros de etanol producidos. El costo de bombear el agua se estima en 4 cal/litro por cada metro de altura. Si suponemos que el agua se bombea desde una profundidad media de 100 m, el costo de bombeo supone 0.4 kcal/litro y, en total, 6000 kcal. En este cálculo no se han considerado otras cantidades de agua que, naturalmente se consumen en el proceso de elaboración del bioetanol. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 80
Figura 4.3. Representación esquemática del proceso industrial de producción de bioetanol a partir del grano de maíz. El paso inicial es la hidrólisis del almidón del maíz a glucosa y su posterior fermentación que produce un alcohol concentrado entre un 8 y un 10 por ciento que, posteriormente debe ser destilado hasta alcanzar una concentración del 92-95 por ciento. Este alcohol es tratado químicamente y concentrado hasta el 99.5 por ciento antes de ser añadido a las gasolinas. En la tabla 4.2 se dan los valores de los diferentes componentes del proceso industrial de producción de 1000 litros de bioetanol. La destilación del etanol representa un costo energético considerable. Para obtener etanol con una concentración del 95 por ciento, se debe someter a un proceso de destilación. Ya hemos dicho que el caldo que resulta de la fermentación de la glucosa contiene etanol a una concentración aproximada al 8 por ciento por lo que se debe destilar para concentrarlo. El etanol alcanza su punto de ebullición a 78ºC y presenta un calor específico (la energía necesaria para elevar 1ºC la temperatura de 1 g de etanol) de 2.46 J g -1 C -1 ó 0.59 cal g -1 C -1. Si partimos de una temperatura ambiente de 20ºC, la temperatura del caldo de fermentación se debe de elevar 58ºC hasta alcanzar el punto de ebullición del etanol. Calentar el etanol para su destilación supone calentar toda la masa del caldo de fermentación que incluye los 15000 litros de agua. Dado el elevado calor específico del agua (1 cal g -1 ºC -1 ), calentar los 15000 litros desde los 20 hasta los 78ºC supone un aporte extra de energía de 900000 kcal que se añaden a las 27000 kcal requeridas para elevar la temperatura de los 1000 litros de etanol. La energía consumida en este primer proceso de destilación asciende a 927000 kcal. Se requiere más de un proceso de destilación para obtener etanol puro. La concentración de 95 por ciento se logra tras tres procesos de destilación. En los dos procesos subsiguientes se parte de una mezcla en la que el etanol está mucho más concentrado con lo que el coste de destilación decrece gradualmente. Consideraremos que, tras la primera destilación se obtiene una mezcla de etanol al setenta por ciento, tras la segunda destilación su concentración se eleva al 85 por ciento y tras la tercera etapa de destilación se alcanza la concentración del 95 por ciento. En estas condiciones, el costo de destilación es de 1430 kcal por cada litro de etanol producido. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 81
Tabla 4.2. Energía invertida en el cultivo de una hectárea de maíz y en el procesado industrial del grano necesario para obtener 1000 litros de bioetanol. CULTIVO (1 ha) kcal/ha CO 2 (kg/ha) Semillas para la siembra del cultivo (kg/ha) (a) 21.00 48197.9 14 Maquinaria pesada (kg/ha/año) (b) 41.56 374000 112 Fertilizantes: Nitrógeno (kg/ha) 147.80 1875405 563 Fósforo (kg/ha) 56.10 127100 38 Potasio (kg/ha) 75.59 150135 45 Cal viva (kg/ha) 370.80 146481 401 Herbicidas (kg/ha) 3.11 220431 66 Pesticidas (kg/ha) 0.42 30105 9 Transporte de materiales (kg) (c) 9778.32 215436 65 Trabajo Personal (horas/ha/año) (d) 11.40 483092 145 Irrigación (mm) (e) (e) 80.00 320000 96 Combustibles: Gasoil (l/ha) 88.00 814303 244 Gasolina (l/ha) 40.00 340723 102 TOTAL cultivo: 5145408 1901.0 Rendimiento del cultivo (kg de maíz/ha): 8976 Producción (l de etanol/kg de maíz): 0.35 Producción de etanol (l de etanol/ha): 3141 CO kcal/1000 l 2 PROCESADO INDUSTRIAL (1000 litros): (kg/1000 l) Grano para producir 1000 l de etanol (kg) 2857 Transporte: Peso de grano y etanol final (kg) 3857 Distancia de transporte en camión (km) 500 424903 127 Transporte en barco (solo el etanol) (km) (f) 3000 260220 78 Planta de producción (kcal/l de etanol) (g) 7.0 6984 2 Agua (15 l/l de etanol) (litros) (h) 15000 6000 2 Destilación del etanol (litros) (i) 16000 1430793 429 Concentración al 99.5% (kcal/l) (j) 9 9000 3 Electricidad (kwh) (k) 100 259200 78 Depuración de aguas residuales (kg de DBO) (l) 135 1399680 420 TOTAL procesado industrial: 3796780 1139 TOTAL GENERAL (kcal/1000 l de etanol): 5434702 1744 Energía del bioetanol: 5609736 1683 Rendimiento: 1.03 0.96 Productos secundarios: DDG (kg) (m) 943 4704480 Energía total (bioetanol+dgg): 10314216 Rendimiento final: 1.90 litros de bioetanol equiv a 1l de gasolina 1.52 2648 Emisiones de CO 2 del biodiesel respecto del gasoil 1.04 Considerandolas emisiones por la extraccion y refinado del petróleo (2.8 kg de CO 2 /l de gasolina) 0.95 (a) el costo de producir semilla híbrida es 4 veces superior al costo de producción del cultivo. (b) granja de 120 ha y vida media de la maquinaria de 15 años (c) transporte de la semilla, fertilizantes, herbicidas y grano producido una distancia de 100 km en camión (d) asumiendo un costo de 42300 kcal/hora de trabajo, que es el valor que corresponde a la agricultura mecanizada de los paises desarrollados C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 82
(e) asumimos un costo de irrigación de 4 calorias por cada litro de agua que se bombea a 1 m de altura y asumiendo que sólo se riega el 10 por ciento de la superficie que se cultiva con una cantidad de 800 mm (f) el transporte a larga distancia sólo afecta al etanol y no al resto de materiales (g) planta de vida útil 20 años que procesa 114000 toneladas de etanol/año (h) se añaden unos 15 litros de agua por cada litro de etanol producido (i) Asumimos dos etapas de destilación en lugar de las tres necesarias ya que sólo en la primera se parte de una concentración de etanol al 8% (j) Se parte de alcohol al 95% que esta a 60º procedente de la destilación (k) 1kWh=3MJ y para producir 1 MJ de electricidad se requieren 3 MJ de energía térmica. (l) 10000l de agua (el resto se recupera en la destilación) con una DBO media de 15 g/l supone 150 kg de DBO por cada 1000 l de etanol. Se requieren 4 kwh por cada kg de DBO (m) 330 g de DDG producidos por cada kilo de maiz procesado y su contenido energético es de 525 kcal/kg (n) para triturar los 1000 kg de restos de tala se consumen unos 10 litros de combustible (o) la elaboración de pellets enla trituración de madera consume entre 1450 y 2150 kcal/kg de pellets (Theka y Oobernbergera, 2004) (p) energía de síntesis del ácido sulfúrico:estimada como 4 kcal/g (valor a falta de comprobación). (q) en esta aproximación suponemos que el costo del cultivo es 0 ya que se aprovechan restos de tala exclusivamente. (r) reposición del nitrógeno extraído con la cosecha, referido a los 1000 litros de (bioetanol) Además, para mezclarlo con gasolina, cuando se utiliza como oxigenante, se requiere etanol de una concentración del 99.5 por ciento. El resultado es que cerca del 30 por ciento del costo energético de producir etanol en una planta industrial viene representado por el costo del propio cultivo mientras que la destilación (1430 kcal/litro de etanol producido) supone casi el 40 por ciento del costo del proceso industrial que asciende a 3800 kcal por litro de etanol que, sumadas a los 1640 kcal/litro del costo del cultivo arrojan un total de 5435 kcal/litro de etanol que es una estima conservadora del costo energético total de producir etanol a partir del maíz. Una parte importante del agua utilizada, unos 15 litros por litro de etanol producido, formarán la vinaza que no es sino el residuo líquido (agua con sólidos) de la industria alcoholera producido en el proceso de destilación que transcurre después de la fermentación. En general se trata de un líquido de ph ácido y con elevadas demandas química y bioquímica de oxígeno (DQO y DBO). La composición característica de una vinaza de destilería se resume en la tabla 4.3. Tabla 4.3. Características fisico-químicas medias de la vinaza generada en una destilería. (De Uchimura, 2006) ph 3.73 Sólidos totales 25.2 g litro -1 Sólidos volátiles 19.3 g litro -1 Nitrógeno 412 mg litro -1 Fósforo 109 mg litro -1 Sulfato 897 mg litro -1 Potasio 1473 mg litro -1 DQO 31.4 g litro -1 DBO 17.1 g litro -1 Debido a su alto nivel contaminante, las vinazas han de ser tratadas en una planta de depuración de aguas residuales antes de poder ser vertidas. Poseen una elevada demanda de oxígeno de entre 12 y 50 g/l dependiendo del tipo de planta productora. El costo de depurar estas aguas residuales equivale 3500 kcal/kg de DBO. De este modo, depurar 9000 litros de agua (los 6000 restantes se pueden recuperar en el proceso de destilación) con una demanda media de 15 g/l, un valor ciertamente bajo, supone una DBO total de 135 kg que representa un coste equivalente de 135*3456=467 Mcal. Dado que se necesitan 3 kwh de energía térmica para producir 1 kwh de energía eléctrica, el costo final de depurar las aguas residuales asciende a 1400 kcal por cada litro de etanol producido. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 83
Los miles de toneladas de materiales que se invierten en la construcción de la planta suponen un costo estimado resultante de 24186 Mcal. Sin embargo, cuando esta energía se reparte entre el etanol tratado durante toda la vida útil de la planta supone una fracción muy pequeña del costo total de procesado. En la tabla 4.2 hemos asumido, como ejemplo, una planta con capacidad para procesar 114 millones de litros al año y una vida útil de 20 años. En estas condiciones el costo energético estimado por litro de etanol es de tan sólo 7 kcal. Otra partida importante de la energía invertida en la producción de los biocombustibles la constituye el transporte. Como mínimo la materia prima que constituye el grano de maíz se debe de transportar desde el cultivo hasta la planta transformadora. Una vez allí se somete al proceso industrial que acabamos de describir y posteriormente, el etanol producido se debe de transportar a su vez hasta los centros de distribución y consumo final. Se trata de dos procesos de transporte que generalmente deben de cubrir largas distancias. El balance energético final de la producción de bioetanol dependerá en buena medida del costo final de este transporte ya que tras el costo del cultivo, de la destilación del producto final y de la depuración de las aguas residuales, constituyen la partida más importante del coste energético del proceso total como se refleja en la tabla 4.2. Se comprende que el balance final resulte muy sensible a dicha distancia de transporte. En la tabla 4.2 se asume una distancia media de 3000 km en barco y 500 km por carretera con lo que resulta un costo final de 685 kcal por litro de etanol transportado. Por último se estima que el consumo de energía eléctrica en la planta de procesado es de 100 kwh por cada 1000 litros de etanol producidos, equivalente a 100*864*3=259 Mcal. Nótese que este consumo se añade al consumo de la energía eléctrica utilizada tanto en los procesos de destilación como de depuración de las aguas residuales ya que el costo energético del consumo de estos procesos se ha incluido en la estimación de cada uno de ellos. Balance energético y de CO 2 del bioetanol obtenido a partir de semilla de maíz. El costo resultante, en términos energéticos, de producir un litro de etanol resulta ascender a (tabla 4.2) 5435 kcal. Si se compara esta cifra con el contenido energético del propio etanol (5610 kcal/litro) resulta patente que ambas cantidades resultan prácticamente iguales especialmente si asumimos la variabilidad inherente a las estimaciones de cada uno de los componentes de los balances. El negocio de la producción de bioetanol a partir del grano de maíz resulta ser escasamente rentable, en términos energéticos, ya que requiere invertir prácticamente la misma cantidad de energía que se recupera con el etanol. Todavía pueden esgrimirse los argumentos referidos a la reducción de emisiones de CO 2. Los casi 9000 kg de grano producido en una hectárea de maíz supone la fijación de 4.5 toneladas de carbono, equivalentes a 16.5 toneladas de CO 2. En la producción del cultivo se emiten a la atmósfera 1900 kg de CO 2 /ha de los que 605 corresponden a la parte del maíz necesaria para producir 1000 litros de etanol. Las emisiones asociadas al proceso de transformación industrial suponen 1139 kg más que, sumados a las emisiones asociadas al cultivo, totalizan la nada despreciable cifra de 1744 kg. Naturalmente en este cómputo no se incluye el CO 2 emitido en la combustión del propio etanol puesto que queda compensada al haberse fijado previamente en el cultivo. Si se prefiere, la producción de un litro de etanol supone la emisión de 1.7 kg de CO 2 a la atmósfera. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 84
CUADRO 4.1. La producción de etanol de maíz en cifras 1 ha de cultivo de maíz produce anualmente 8976 kg de grano que permiten producir 3141 litros de etanol 1000 litros de etanol: Para producir 1000 litros de etanol se requieren 0.32 hectáreas que producen 2857 kilos de grano de maíz con un consumo energético de 1638 Mcal en el cultivo el proceso industrial consume 3797 Mcal más Producir 1000 litros de etanol cuesta en total 5435 Mcal La energía contenida en los 1000 l de etanol equivale a 5610 Mcal La producción de etanol representa 1.03 veces la energía invertida o sea que el balance neto de energía es de un 3 por ciento Los residuos de la destilación DDGS contienen 4704 Mcal más Si se aprovechan estos co-productos, el rendimiento se eleva a 1.90 veces la energía invertida En el cultivo se emíten 605 kg de CO 2 En el proceso industrial se emíten 1139 kg de CO 2 En la producción de 1000 litros de etanol se emíten 1744 kg de CO 2 Para producir la energía en el coche equivalente a 1 l de gasolina se requieren 1.52 litros de etanol que contienen 8518 kcal de 1 litro de gasolina en su producción se han invertido 8252 kcal La combustión en el motor del coche de 1 l de gasolina supone la emisión a la atmósfera de 2555 kg de CO 2 En la producción y procesado del etanol se han emitido 2648 kg de CO 2 Con lo que el supuesto ahorro de emisiones significa que cada litro de gasolina que se substituye por etanol de maíz emite 93 g más de CO 2 a la atmósfera ENERGÍA cultivo; 1638 DDGS; 4704 Emisiones de CO2 cultivo; 919 gasolina; 2555 industrial; 3797 energía del etanol; 5610 proceso industrial; 1730 Arriba: Balance energético en la producción de un litro de bioetanol a partir del grano de maíz. En términos energéticos la energía que se debe de invertir en el cultivo más la energía del proceso industrial resultan prácticamente igual a la energía que se recupera en el bioetanol con lo que el balance del proceso es prácticamente nulo. Los residuos de la destilación, ricos en proteínas y fácilmente digeribles, aportan una cantidad extra de energía si se utilizan como pienso para el ganado. Abajo: Las emisiones de CO 2 que se producen en el cultivo más las que se producen en el proceso industrial resultan ligeramente superiores a las de la gasolina que puede substituir el bioetanol con lo que el balance de emisiones de CO 2 resulta negativo. Se emite más CO 2 a la atmósfera en la producción de bioetanol que con el uso de la propia gasolina fósil convencional. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 85
La supuesta contribución del bioetanol a la reducción de emisiones de CO 2 resulta más que discutible a la luz de los balances que acabamos de discutir, más aún si se consideran otros riesgos ambientales derivados del cultivo como son, por ejemplo, los riesgos de eutrofización de las aguas derivados de la aplicación de fertilizantes. Pero aún hay más. El contenido energético del etanol quemado en el motor de un vehículo es de 5610 kcal/l ó 7128 kcal/kg en tanto que el de una gasolina estándar (densidad 0.76 kg/l) es de 8518 kcal/l ó 11208 kcal/kg con lo que para obtener la misma energía en el motor del vehículo se requiere un volumen de combustible 1.5 veces superior de etanol que de gasolina convencional con lo que los escasos márgenes que habíamos obtenido se tornan netamente deficitarios. La producción de esta cantidad conlleva unas emisiones asociadas de 2.65 kg de CO 2 cantidad ligeramente superior a los 2.56 kg emitidos al quemar un litro de gasolina convencional. No hay duda de que el bioetanol obtenido a partir de maíz no supone esperanza alguna para la reducción de emisiones. Para ser más rigurosos en nuestra comparación deberíamos tomar en consideración el costo de exploración, perforación, extracción y refinado del petróleo del que se obtiene la gasolina. Ya se ha discutido en el capítulo 3 el retorno de energía que se puede obtener en la cadena de exploración, extracción y refinado del petróleo. En las condiciones de extracción más favorables, como las que se dan en el petróleo de Oriente Medio, el rendimiento, es decir la energía obtenida por cada unidad de energía invertida se eleva a 30, pero este valor decrece rápidamente a medida que las condiciones se hacen más difíciles ya sea porque se extrae petróleo de mayor profundidad, de yacimientos submarinos más alejados de la costa o de rocas cada vez menos ricas en petróleo. En el caso de la extracción de petróleo de rocas bituminosas el rendimiento puede decrecer hasta valores de 1.5. A medida que las reservas de petróleo se hacen cada vez más escasas se explotan yacimientos cuyo rendimiento es cada vez menor. El costo asociado a los procesos de exploración, perforación, extracción y refinado comporta unas emisiones de CO 2 a la atmósfera, asociadas al consumo de gasolina que rara vez se tienen en cuenta. Los valores de estas emisiones se han discutido en el capítulo 3. En el cálculo de los balances de emisiones del bioetanol hemos adoptado un valor conservador asumiendo un retorno de energía de la extracción de petróleo de 10. En estas condiciones la combustión de un litro de gasolina supone unas emisiones totales de 2800 gramos de CO 2. Si se toma en consideración este valor, el balance de emisiones de CO 2 del etanol equivalente a un litro de gasolina (2648 g) resulta favorable y supone una reducción de emisiones del 5 por ciento. En este punto, se nos plantea la pregunta de si la exigua reducción de 152 g de CO 2 merece asumir los riesgos sociales y ambientales que conlleva la producción de bioetanol a partir del maíz y que se discuten en el capítulo 6. Otros productos derivados de la producción de etanol En el proceso de destilación se obtienen subproductos constituidos principalmente por los restos del grano utilizado para la obtención del almidón. Los subproductos de destilería se obtienen mediante secado de los residuos del proceso de obtención de etanol. En la mayor parte de los procesos se utilizan cereales: maíz en USA, trigo en Canadá Occidental y cebada en los países nórdicos europeos. Ya hemos visto que el proceso en sí consiste en convertir los almidones y azúcares de la materia prima inicial en etanol. Por tanto, en el producto final se reduce drásticamente el contenido en hidratos de carbono no estructurales y se concentra proporcionalmente el porcentaje del resto de nutrientes. El proceso da lugar a dos tipos de subproductos: los granos de destilería (DDG) y los mal llamados solubles (DDS, vinazas o thin stillage). Los DDG contienen fundamentalmente residuos no fermentados de los granos originales. Los DDS contienen levaduras, nutrientes solubles y las partículas de grano más fino. A veces estos productos se suministran en húmedo, y por separado, a cebaderos de terneros localizados cerca de la industria; los DDG mezclados con el pienso y los DDS, que sólo tienen C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 86
un 5% de materia seca, como sustitutivos del agua. En la mayoría de los casos, ambos productos se comercializan conjuntamente (75% DDG y 25% DDS, aproximadamente), una vez secados. De la importancia de este comercio baste poner como ejemplo que México es el principal importador desde EU de granos secos, seguido de Japón. En los primeros cinco meses del año 2006, México registró las importaciones más altas de la historia de estos productos procedentes de Estados Unidos, al llegar a las 303574 toneladas, cuando en 1999 apenas se importaban 11200 toneladas. Las características del producto final dependen de la calidad del producto inicial y de las condiciones del proceso (temperaturas y tiempo de cocción, destilación, deshidratación y granulado). En general, concentran entre 2.2 y 3 veces el contenido en fibra, proteína, extracto etéreo y cenizas, en relación con el producto original. El contenido proteico es alto, en torno al 25 por ciento, pero es pobre en lisina. El calor aplicado durante los procesos de fermentación, destilación y secado reducen la solubilidad de la proteína. De aquí, que el valor proteico sea superior en los productos húmedos que en los secos. El contenido en grasa de los residuos de destilería es alto (en torno al 5-10%) de carácter insaturado (56% de ácido linoléico). Los DDGS son un producto muy palatable, con altos contenidos en levaduras, minerales y vitaminas del grupo B. Este residuo presenta un valor energético que fluctúa entre 4000 y 5000 kcal/kg de materia seca. Por cada kilogramo de maíz procesado se obtienen 330 g de DDGS con un contenido energético de 525 kcal/kg. Podemos añadir este crédito a nuestro balance final. Los 2857 kilos de maíz utilizados para producir los 1000 litros de etanol producen 943 kg de DDGS con un contenido energético de 4900 kcal/kg o, un total de 4.7 Mcal que se añaden a los 5.6 Mcal contenidas en el etanol. Si se contabiliza el contenido energético de estos productos secundarios aumenta considerablemente el rendimiento energético del balance global de producción de bioetanol hasta un valor de 1.9 En este punto se nos plantea una pregunta crucial que tiene que ver con otros biocombustibles alternativos. Además de la semilla de maíz se puede obtener etanol utilizando otras fuentes de materia prima que no compitan con el alimento como la celulosa de la madera o de la caña de azúcar. El mijo (Panicum virgatum) es una gramínea, de rápido crecimiento, nativa de Norteamérica que acumula grandes cantidades de biomasa y que se propone como fuente de materia prima para obtener etanol. La caña de azúcar, otra gramínea tropical con una tasa de crecimiento elevada, es otra de las fuentes de materia prima que se ha utilizado como fuente de carbohidratos para producir bioetanol. El balance energético y de CO 2 del bioetanol producido a partir de estas materias primas alternativas resulta más favorable que el producido a partir del maíz? C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 87
Bioetanol obtenido a partir de la caña de azúcar La caña de azúcar es una gramínea de tipo C4 que crece bien en los países tropicales. Brasil es el principal productor mundial y le sigue a gran distancia, India. En el año 2002 Brasil cosechó 372 millones de toneladas de caña de azúcar y la India 279 millones. A título comparativo los Estados Unidos produjeron, en el mismo año, una cosecha de 257 millones de toneladas de maíz. Sin embargo, la caña de azúcar de Brasil produjo solamente 57 millones de toneladas de azúcar en tanto que el maíz de los estados Unidos produjo 144 millones de toneladas de almidón, es decir, 2.5 veces más materia prima para la producción de etanol. Brasil dedica al cultivo de la caña 5 215 000 ha con una producción que alcanza las 93 tm/ha de biomasa aérea total de las que 21.6 toneladas corresponden a la producción de la caña propiamente dicha. La composición de la caña de azúcar se resume en la tabla 4.3. La caña propiamente dicha, que es la fracción que se exprime para extraer el azúcar, constituye el 77 por ciento de la biomasa aérea total. El caldo que se obtiene exprimiendo la caña contiene un 44 por ciento de sacarosa y un 7 por ciento de otros azúcares como se refleja en la tabla 4.4. En total, el 51 por ciento de la biomasa seca de los tallos de la caña lo constituyen azúcares susceptibles de ser sometidos a fermentación para obtener bioetanol. La fracción restante, está formada por fibras: celulosa, hemicelulosa y lignina cuya biomasa seca asciende a 10.6 tm/ha. Una hectárea de cultivo permite obtener 11 toneladas de azúcares, en su mayor parte sacarosa como ya se ha comentado que se pueden transformar para obtener, en promedio, 5700 litros de etanol. En efecto, cada tonelada de caña, de la que 770 kg corresponden a los tallos de la caña, permiten extraer algo menos de 400 kg de azúcar que, en la fermentación, se transforman en 160 kg de etanol siguiendo las pautas de la fermentación aerobia que hemos comentado en el caso de la obtención de etanol a partir del maíz. La densidad del bioetanol es de 0.79 kg/l y cada kg de etanol obtenido contiene 7128 kcal o, si se prefiere, 5610 kcal/litro. En el proceso de obtención del bioetanol, se obtienen algunos residuos cuyo contenido energético resulta aprovechable. En particular, por cada tonelada de caña procesada se obtienen 230 kg de hojas y otras fracciones de la planta, y 377 kg de los restos del exprimido de la caña, o sea un total de 607 kg. Estos materiales pueden retornarse al campo de cultivo para favorecer su descomposición y reponer así una parte de los nutrientes extraídos en la cosecha, contribuyendo a su fertilidad, o pueden ser secados y posteriormente quemados para obtener una fracción de la energía que se requiere en el proceso industrial del etanol. En este último caso, resulta necesario aumentar la dosis de reposición de fertilizantes. Las dosis de fertilizantes aplicados al cultivo de la caña de azúcar oscilan alrededor de los 100 kg de nitrógeno, 80 de fósforo y 240 de potasio. Estos valores, así como sus equivalencias en términos energéticos y de emisiones de CO 2, se resumen en la tabla 4.6 de manera análoga al resumen del etanol procedente del maíz que discutimos en la tabla 4.2. El cultivo de una hectárea de caña requiere algo más de 4 millones de kilocalorías de los que prácticamente una tercera parte corresponde al fertilizante nitrogenado. Los combustibles aportan al cultivo otra tercera parte de la energía. Estos aportes de energía al cultivo son responsables de las emisiones de 1442 kg de CO 2 /ha. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 88
Tabla 4.4. Rendimiento del cultivo de caña de azúcar Componente de la planta Peso fresco Peso seco tm / ha tm / ha Biomasa aérea total 93.00 28.00 Hojas y otras fracciones 21.39 6.44 Biomasa de la caña 71.61 21.56 Azúcares 11.00 Residuos del exprimido (principalmente fibras) 10.56 Residuo seco (de los tallos + hojas y otras fracciones) 17.00 Rendimiento de la caña de azúcar 1000 kg de caña de azucar (peso seco) Biomasa de los tallos de la caña (kg) 770.00 Azucares extraídos (kg) 392.70 Etanol producido (51% esteq., 80% ef. fermentación) (kg) 160.22 Contenido energético del etanol (kcal) 1142060 Otros productos: Residuo seco (hojas y otras fracciones) (kg) 230.00 Restos del exprimido de la caña (kg) 377.30 Total (kg) 607.30 Contenido energético de los restos (4.7 kcal/g) kcal 2854310 Contenido energético total (kcal) 3996370 % Azúcares fermentables (% respecto de la biomasa de los tallos) Azúcares totales en la caña (tm/ha) 11.0 Sacarosa (%) 44 Glucosa (%) 3 Fructosa (%) 2 Almidón (%) 2 Total (%) 51 Fibras (% respecto de la biomasa de los tallos) Fibras totales en la caña (tm/ha) 10.6 Celulosa (%) 24 Hemicelulosa (%) 17 Lignina (%) 8 Total (%) 49 Producción industrial de bioetanol por fermentación del azúcar de la caña de azúcar. El proceso industrial de la fermentación del azúcar es similar al descrito en el caso del almidón, por lo que no repetiremos aquí los detalles. La producción de 1000 litros de bioetanol de la caña de azúcar exige 3782 kilos de azúcar que se obtienen en una extensión de cultivo de 0.18 ha. La energía proporcional de este cultivo es de 708 Mcal y genera 253 kilos de CO 2. El proceso industrial de los 1000 litros de bioetanol requiere 3900 Mcal más y genera 1170 kg de CO 2. En total, la producción de 1000 litros de bioetanol de caña de azúcar consume unas 4600 Mcal y produce una emisión de 1423 kg de C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 89
Caña de azúcar 28 t PS/ ha (93 t PF/ ha) Exprimido Azúcares, 11.0 t / ha Tanques de fermentación Tallos 21.6 t Residuos del exprimido 10.6 t Eficiencia de hidrólisis y fermentación, 0.78 Rendimiento estequiométrico de la glucosa, 0.51 Hojas y otras fracciones 6.4 t Residuo seco, 17 t Etanol, 5700 litros Aguas residuales, 85000 l CO 2 8100 kg Figura 4.4. Esquema de la producción de una hectárea de caña de azúcar. La producción anual media en los países tropicales es de 93 toneladas/ha de biomasa aérea de las que 28 corresponden a peso seco. De las 28 t PS/ha, 21.6 corresponden a los tallos de la caña propiamente dicha que se exprime en el molino para obtener el jugo que contiene 11 t de azúcares que se hidrolizan y se llevan a los tanques de fermentación en los que se obtienen 4486 kg de etanol que equivalen a 5700 litros. Las 10.6 toneladas restantes más las 6.4 toneladas de hojas, inflorescencias y otras fracciones constituyen un residuo seco que puede aprovecharse para obtener energía (lo que impide su descomposición en el campo y tiene un efecto negativo sobre la concentración de nutrientes en el suelo), o puede dejarse en el suelo para favorecer su descomposición contribuyendo a mantener los niveles de fertilidad. En la fermentación y posterior destilación del etanol se producen 85000 litros de aguas residuales con elevadas DQO y DBO que deben de ser tratados y 8100 kg de CO 2 que se producen, en parte, como consecuencia del rendimiento estequiométrico de la fermentación ya que cada molécula de glucosa da lugar a dos moléculas de etanol y dos de CO 2. CO 2. La energía contenida en los 1000 litros de bioetanol es de unas 5600 Mcal con lo que el balance energético de la producción de bioetanol a partir de la caña de azúcar arroja un rendimiento del 22 por ciento. Para interpretar correctamente estos resultados debemos de considerar que la energía equivalente de un litro de gasolina se obtiene con 1.5 litros de bioetanol con lo que los 1000 litros obtenidos pueden sustituir a unos 650 litros de gasolina. La combustión en el motor de los vehículos de estos 650 litros de gasolina supone unas emisiones de 1683 kg de CO 2, un18 por ciento más que las emisiones que hemos calculado para la producción del bioetanol. Si añadimos las emisiones generadas en la exploración, perforación, extracción y refinado del petróleo, las emisiones reales de los 650 litros de gasolina suponen unas emisiones de 1820 kg de CO 2, con lo que la reducción de emisiones de CO 2 a la atmósfera asciende al 23 por ciento que viene a representar una reducción de 395 g de CO 2 por cada litro de gasolina que se substituye por etanol procedente de la caña. Como vemos el balance final tanto en términos energéticos como en términos de emisiones de CO 2 de la producción de etanol a partir de la caña de azúcar resulta mucho más favorable que su producción a partir del grano de maíz, hecho que se explica básicamente por la producción más elevada de la caña de azúcar (5700 litros de bioetanol por hectárea frente a los 3141 del maíz). C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 90
Tabla 4.5. Energía invertida en el cultivo y en el procesado industrial de obtención de bioetanol a partir de la caña de azúcar. CULTIVO (1 ha) Kcal/ha CO 2 kg/ha Semillas para la siembra del cultivo (kg/ha) (a) Maquinaria pesada (kg/ha/año) (b) 41.56 Fertilizantes Nitrógeno (kg/ha) 100.00 1268880 381 Fósforo (kg/ha) 80.00 181248 54 Potasio (kg/ha) 170.00 337661 101 Cal viva (kg/ha) 240.00 94810 260 Herbicidas (kg/ha) 3.11 220431 66 Pesticidas (kg/ha) 0.42 30105 9 Transporte de materiales (kg) (c) 22281.53 490907 147 Trabajo Personal (horas/ha/año) (d) 11.40 280868 84 Irrigación (mm) (e) 0.00 0 0 Combustibles 0 Gasoil (kg/ha) 88.00 814303 244 Gasolina (kg/ha) 40.00 316800 95 TOTAL cultivo: 4036011 1442.1 Rendimiento del cultivo (kg de MP/ha): 21560 Producción (l de etanol/kg de MP): 0.26 Producción de etanol (l de etanol/ha): 5700 kcal/1000 PROCESADO INDUSTRIAL (1000 l) litros Costo del cultivo para producir 1000 litros de etanol 708024 253 Semillas (o MP) para producir 1000 l de etanol (kg) 3782 Transporte (a): Peso de grano y etanol final (kg) 4782 Distancia de transporte en camión (km) 500 526807 158 Transporte en barco (solo el etanol) (km) (f) 3000 260220 78 Planta de producción (kcal/l de etanol) (g) 7.0 6984 2 Agua (15 l/l de etanol) (litros) (h) 15000 6000 2 Destilación del etanol (litros) (i) 16000 1430793 429 Concentración al 99.5% (kcal/l) (j) 9 9000 3 Electricidad (kwh) (k) 100 259200 78 Depuración de aguas residuales (kg de DBO) (l) 135 1399680 420 TOTAL procesado industrial: 3898684 1170 TOTAL GENERAL (kcal/1000 l de etanol): 4606708 1423 Energía del bioetanol: 5609736 1683 Rendimiento: 1.22 1.18 Productos secundarios: Coproductos (kg) (m) 607.30 3030184.08 Energía total (bioetanol+coproductos): 8639920 Rendimiento final: 1.88 litros de bioetanol equivalente a 1l de gasolina 1.52 2160 Emisiones de CO 2 del bioetanol respecto del gasoil 0.85 Considerándolas emisiones por la extracción y refinado del petróleo (2.8 kg de CO 2 /l de gasolina) 0.77 Notas a pié de tabla: ver las notas de la tabla 4.2. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 91
La explicación a esta producción hay que buscarla en la fotosíntesis. La caña de azúcar es un cultivo exclusivamente tropical que crece durante todo el año mientras el maíz que crece a latitudes más elevadas, tiene un periodo de crecimiento anual más corto. La radiación solar incidente sobre un campo de caña de azúcar, en el trópico, oscila alrededor de 1300000 kcal anuales por cada metro cuadrado (figura 4.5). De ésta energía la caña fija 13160 kcal en cada Figura 4.5. La radiación solar incidente sobre un campo de caña de azúcar, en el trópico, oscila alrededor de 1500000 kcal anuales por cada metro cuadrado. De ésta energía la caña fija 13160 kcal en cada metro cuadrado de cultivo. Finalmente tras el proceso industrial, en el etanol producido en cada metro cuadrado de cultivo se recuperan 3116 kcal es decir el 0.21 por ciento de la energía solar incidente. La cascada de pérdida de energía resulta evidente con un cuello de botella ineludible que radica en la eficiencia de la fotosíntesis que fija el 1 por ciento de la radiación solar incidente. metro cuadrado de cultivo. Finalmente tras el proceso industrial, en el etanol producido en cada metro cuadrado de cultivo se recuperan 3116 kcal es decir el 0.23 por ciento de la energía solar incidente. A modo de comparación, un maizal fija 8500 kcal en cada metro cuadrado a lo largo de todo el periodo de crecimiento aunque también es cierto que, al localizarse a latitudes más elevadas, recibe menos insolación que la caña en el trópico. La cascada de pérdida de energía resulta evidente con un cuello de botella ineludible que radica en la eficiencia de la fotosíntesis, proceso que a lo largo de la evolución de las plantas ha adquirido la capacidad de fijar del orden del 1 por ciento de la radiación solar incidente. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 92
CUADRO 4.2. La producción de etanol de caña de azúcar en cifras 1 ha de cultivo de caña de azúcar produce anualmente 21560 kg de azúcar que permiten producir 5700 litros de etanol 1000 litros de etanol: Para producir 1000 litros de etanol se requieren 0.18 hectáreas que producen 3782 kilos de azúcar con un consumo energético de 708 Mcal en el cultivo el proceso industrial consume 3899 Mcal más Producir 1000 litros de etanol cuesta en total 4607 Mcal La energía contenida en los 1000 l de etanol equivale a 5610 Mcal La producción de etanol representa 1.22 veces la energía invertida en el cultivo o sea que el balance neto de energía es de un 22 por ciento Los residuos de la destilación y del cultivo contienen 3030 Mcal más Si se aprovechan estos co-productos, el rendimiento se veces la energía invertida en el 1.88 eleva a cultivo En el cultivo se emíten 253 kg de CO 2 En el proceso industrial se emíten 1170 kg de CO 2 En la producción de 1000 litros de etanol se emíten 1423 kg de CO 2 Para obtener la energía equivalente a 1 l de gasolina se requieren 1.52 litros de etanol que contienen 8518 kcal de 1 litro de gasolina en su producción se han invertido 6995 kcal La combustión de 1 l de gasolina emite a la atmósfera 2555 kg de CO 2 En la producción y procesado del etanol se han emitido 2160 kg de CO 2 Con lo que cada litro de gasolina que se substituye por etanol supone un ahorro de 395 g de CO 2 ENERGÍA proceso industrial; 3899 cultivo; 708 coproductos; 3030 Emisiones de CO2 proceso industrial; 1776 energía del etanol; 5610 Arriba: Balance energético en la producción de un litro de bioetanol a partir de la caña de azúcar. En términos energéticos la energía que se debe de invertir en el cultivo más la energía del proceso industrial resultan cultivo; 384 gasolina; 2555 Bioetanol obtenido a partir de la madera Abajo: Las emisiones de CO 2 que se producen en el cultivo más las que se producen en el proceso industrial resultan ligeramente inferiores a las de la gasolina que puede substituir el bioetanol con lo que el balance de emisiones de CO 2 resulta positivo. Se emite algo menos CO 2 a la atmósfera en la producción de bioetanol que con el uso de la propia gasolina fósil convencional. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 93
En la madera, las moléculas de glucosa se enlazan entre sí a través de enlaces β-1,4-glucosídicos, para formar cadenas de enorme longitud que forman las moléculas de celulosa. Las moléculas que resultan de la polimerización de la glucosa, con fórmula empírica (C 6 H 10 0 5 ) n, son enormemente resistentes e insolubles en agua. La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa (figura 4.6). Los múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo, que se establecen entre distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, originan fibras compactas de mayores dimensiones denominada microfibrillas que constituyen la pared celular de las células vegetales. La celulosa es el principal componente de las células de las plantas y representa aproximadamente el 50 por ciento del peso seco de la madera. pared celular O O microfibrilla O fibrilla Figura 4.6. Composición y estructura de la pared celular y estructura de la molécula de celulosa. Las moléculas de glucosa se unen entre sí mediante enlaces β-1,4- glucosídicos dando origen a cadenas de enorme longitud con fórmula empírica (C 6 H 10 0 5 ) n, son enormemente resistentes e insolubles en agua. El segundo componente químico de la madera, que constituye entre un 15 y un 25 por ciento de su peso seco, es la hemicelulosa. A diferencia de la celulosa formada únicamente por moléculas de glucosa, en la composición de la hemicelulosa intervienen glucosa y otros azúcares solubles en agua que se originan durante la fotosíntesis. El grado de polimerización de la hemicelulosa es notablemente menor que el de la celulosa y forma cadenas ramificadas a diferencia de las cadenas lineales de la celulosa. La hemicelulosa interviene en la formación de las microfibrillas en las que se dispone rodeando y manteniendo unidas las fibras de celulosa. Por orden de importancia, el tercer componente de la madera es la lignina. Constituye entre un 15 y un 30 por ciento de la madera. Es un complejo químico formado por la deshidratación de azúcares que origina estructuras aromáticas (figura 4.7). Las reacciones que intervienen en la formación de estos compuestos aromáticos son irreversibles y, por tanto, los compuestos resultantes son muy estables. La lignina es un polímero tridimensional que resulta de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos y de múltiples azúcares. Los tipos y proporciones que intervienen en la composición de la lignina de cada especie dependen básicamente de la disponibilidad de los mismos en la naturaleza. El acoplamiento aleatorio de estos radicales da origen a una estructura tridimensional no totalmente conocida ya que existen muchos polímeros estructurales diferentes. Resulta conveniente utilizar el término lignina en un sentido colectivo para señalar la fracción lignina de la fibra. Después de los polisacáridos, la lignina es el polímero orgánico más abundante en el mundo vegetal y es la única fibra que se conoce que no posee estructura de polisacárido. La lignina posee un importante papel en el transporte interno de agua, nutrientes y metabolitos. Proporciona rigidez a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células de la madera. La lignina, que aumenta de manera ostensible en la pared celular de la planta con el curso de la maduración, es resistente a la degradación bacteriana, y su contenido en fibra reduce la digestibilidad. Los tejidos lignificados resisten el ataque de los microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas en la pared celular. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 94
Figura 4.7. La lignina se forma a partir de estructuras aromáticas que se originan por deshidratación de los azúcares. Existen muchos monómeros diferentes. En el esquema de la derecha se muestran tres de estos monómeros. El esquema de la derecha muestra una fase inicial de la condensación de algunos monómeros para formar la red tridimensional que constituye la lignina. Se muestran varios grupos en rojo con capacidad para seguir reaccionando. Algunos pueden simplemente ampliar el polímero uniéndose a otros monómeros mientras que otros pueden formar puentes cruzados entre sí dando origen a una compleja estructura tridimensional. El monómero marcado en color naranja en la figura tiene tres de sus grupos funcionales unidos a otros monómeros en la estructura Los procesos anaeróbicos raramente descomponen los anillos aromáticos en tanto que la descomposición aeróbica de la lignina es muy lenta requiriendo largos periodos de tiempo. Además de la celulosa, hemicelulosa y ligninas, tanto en la pared como en el lúmen de las células se encuentran otros compuestos orgánicos e inorgánicos aunque no forman parte de la estructura de la pared celular. Representan entre un 2 y un 15 por ciento del peso de la madera y le confieren las propiedades características de cada especie. Taninos, aceites esenciales, grasas, resinas, ceras, terpenos, fenoles y un componente tan importante como el almidón constituyen este conjunto que, colectivamente, recibe el nombre de substancias extractables ya que pueden extraerse de la madera calentándola en agua, alcohol u otros disolventes. Desde un punto de vista de la composición elemental carbono, oxígeno e hidrógeno, los componentes básicos de los carbohidratos que intervienen en la composición de la celulosa, hemicelulosa y ligninas, son los elementos más abundantes presentes en la madera. El calcio, acostumbra a ser un elemento de presencia significativa dado su papel en los puentes de calcio que unen las cadenas pécticas de la pared celular. Por el contrario, la presencia de nitrógeno y fósforo apenas resulta testimonial. La mayor parte del nitrógeno y fósforo de la planta se concentra en las raíces finas y en las hojas, los órganos fisiológicamente más activos de la planta. La concentración de nitrógeno y de fósforo en las hojas puede ser hasta 20 veces más elevada que en la madera (tabla 4.7). Dada la relativa escasez de estos elementos en la naturaleza, con frecuencia limitantes para la producción, que un tejido tan abundante como la madera se pueda construir sin apenas la intervención de éstos elementos, condujo a Margalef a interpretar la madera como una vía que utilizan las plantas para aprovechar la capacidad reductora de la fotosíntesis. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 95
Tabla 4.6. Concentración de carbono, nitrógeno y fósforo (valor medio, desviación estándar ( ) y número de muestras (n) analizadas en cada caso) en la madera y en las hojas de diferentes especies forestales. Datos del Inventario Ecológico y Forestal de Cataluña. madera hojas Concentración g/100g n Concentración g/100g n CARBONO Coníferas Abies alba 49.39 1.41 3 47.26 10.26 22 Pinus halepensis 49.67 1.65 211 52.26 3.97 417 Pinus nigra 50.67 1.50 196 51.90 1.50 276 Pinus pinaster 50.97 1.77 22 50.07 1.24 33 Pinus pinea 50.78 1.2 39 50.06 1.15 63 Pinus sylvestris 50.56 1.73 310 51.26 3.11 392 Pinus uncinata 50.30 3.05 41 51.25 1.91 95 Frondosas Castanea sativa 48.42 2.46 24 48.83 1.00 21 Fagus sylvatica 48.59 1.39 44 48.23 1.88 38 Populus nigra 48.30 0.25 3 45.96 1.24 3 Quercus petraea 48.40 0.52 14 48.28 1.08 12 Quercus suber 47.16 1.66 67 49.65 2.18 111 NITRÓGENO Coníferas Abies alba 0.10 0.03 3 1.06 0.30 22 Pinus halepensis 0.11 0.06 212 1.19 0.23 417 Pinus nigra 0.11 0.04 196 1.00 0.16 276 Pinus pinaster 0.09 0.05 22 1.00 0.31 33 Pinus pinea 0.09 0.04 39 1.17 0.21 63 Pinus sylvestris 0.10 0.04 314 1.26 0.23 392 Pinus uncinata 0.08 0.02 41 1.09 0.19 95 Frondosas Castanea sativa 0.13 0.05 24 2.22 0.64 21 Fagus sylvatica 0.13 0.05 44 2.32 0.55 38 Populus nigra 0.14 0.07 3 2.34 0.74 3 Quercus petraea 0.14 0.04 14 2.16 0.52 12 Quercus suber 0.28 0.10 67 1.59 0.20 111 FÓSFORO Coníferas Abies alba 0.00 0.00 1 0.10 0.04 3 Pinus halepensis 0.00 0.00 169 0.09 0.03 292 Pinus nigra 0.00 0.00 157 0.09 0.02 234 Pinus pinaster 0.01 0.01 21 0.07 0.04 19 Pinus pinea 0.01 0.01 38 0.08 0.03 46 Pinus sylvestris 0.00 0.00 232 0.11 0.03 322 Pinus uncinata 0.00 0.00 24 0.10 0.02 48 Frondosas Castanea sativa 0.01 0.01 24 0.19 0.09 19 Fagus sylvatica 0.01 0.01 43 0.15 0.07 25 Populus nigra 0.01 0.01 3 0.13 -- 1 Quercus petraea 0.01 0.00 14 0.18 0.06 7 Quercus suber 0.05 0.04 68 0.12 0.04 67 En efecto, la capacidad fotosintética de las plantas es muy elevada y, en muchos casos la disponibilidad de nutrientes actúa como factor limitante ya que, al no disponer de éstos en abundancia, las rutas metabólicas que conducen a la formación de aminoácidos y otras moléculas nitrogenadas o fosforadas, se ven limitadas. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento 4: Bioetanol 96