Bio-refinerías de la caña de azúcar

Bio-refinerías de la caña de azúcar Gustavo Viniegra González 1 Introducción La biomasa, o materia orgánica producida por los organismos vivos, es la materia renovable que será fundamental para la industria del futuro. Por ello conviene analizar cuáles son las fuentes más abundantes de este recurso. En la Tabla 1 se comparan los rendimientos anuales por hectárea de siete tipos distintos cultivos. Sobresalen como altamente productivos: las algas verdes, con un valor promedio, entre el mínimo y el máximo, de 75 ton/ha, y la caña de azúcar, con 86 ton/ha. El valor promedio nacional de producción de materia seca de la caña de azúcar es de 30 ton/ha, incluyendo tallos y hojas, que corresponde al 1 Doctor en Biofísica de la Universidad de California. Profesor Titular C, Departamento de Biotecnología de la UAM, Miembro del S.N.I. Nivel III. Correo electrónico: vini@xanum.uam.mx rendimiento de 80 ton/ha de tallos y 20 ton/de hojas con 30% de sólidos. Actualmente se cultiva la caña en cerca de medio millón de hectáreas, pero desde hace más de 30 años, se sabe que el área potencial para este cultivo podría ser seis veces más grande. El tonelaje de materia orgánica para 3 millones de hectáreas sería del mismo orden de magnitud al consumo petrolero nacional. Por lo tanto, resulta conveniente analizar las alternativas para la transformación y usos de la caña, como una de las materias primas renovables más abundantes del país. Tabla 1. Rendimientos aproximados de cultivos seleccionados Cultivo % H2O ton MS/ha (min) T MS/ha (max) Algas verdes 90 50 100 Caña de azúcar (hojas y tallos) 70 20 112 Agave 80 15 40 Eucalipto 70 -- 54 Yuca (E. crassipens) 80 20 30 Maíz ensilado (2 cosechas) 80 25 40 Pasto Sudán 85 -- 36 1. Bio-refinería vs. fábrica especializada El principal uso rentable de la caña de azúcar es la producción de azúcar granulado, pero desde hace más de medio siglo se ha venido considerando su diversificación y 1177

recientemente se ha propuesto la producción de bioetanol para sustituir parte de la gasolina. Sin embargo, la producción de azúcar debe ser una referencia técnica y económica ante cualquier intento para la diversificar esta agroindustria. Las bio-refinerías son complejos agroindustriales diversificados y su mejor ejemplo lo constituyen las bio-refinerías del maíz, desarrolladas principalmente en los EUA. Ahí, el maíz tiene tres destinos principales: la producción de piensos (alimentos para el ganado), la elaboración de almidones y jarabes para la industria y la exportación al mundo entero. Pero, durante los últimos diez años ha crecido notablemente la producción industrial de etanol como aditivo de las gasolinas. Este uso alternativo ha tenido gran impacto en la economía mundial porque ha comprometido excedentes de EUA que antes se exportaban en gran volumen. Desde hace más de 30 años, la industria azucarera mexicana ha destinado una parte importante de sus subproductos (melaza y bagazo) para la fabricación de: piensos, alcohol, levaduras y celulosa. En consecuencia, conviene comparar el uso diversificado de la caña de azúcar, con especial atención a la comparación de la situación actual, orientada a la producción de azúcar granulado, y en relación a la producción especializada de bioetanol o a otras alternativas que incluyan la tecnología ya conocida. Este enfoque será llamado de bio-refinería y se aplica a un conjunto de alternativas de transformación para una materia prima especializada. En este caso, la caña de azúcar. Cabe aclararse que, en las fábricas de bioetanol establecidas en Brasil, el guarapo o jugo, se destina a la producción de alcohol y el bagazo es el combustible que permite, tanto su destilación, como la producción de energía eléctrica, derivada de las calderas para la operación de los molinos de la caña. Este sería el concepto de fábrica especializada, mucho menos diversificada que la fábrica convencional de azúcar. En las bio-refinerías de caña, se han llegado a establecer usos alternativos a los componentes de la caña que son: las puntas de caña o cogollo, el jugo de caña o guarapo, y la fibra o bagazo y estos usos pueden combinarse, según los cambios del mercado. Por ejemplo: el bagazo se puede destinar, en parte, para producir la energía termo eléctrica necesaria para operar los molinos, y en parte, para la producción de pulpa de celulosa. El guarapo, a su vez, puede destinarse a la producción de azúcar, bioetanol o biometano. Y, en forma alternativa, el guarapo puede destinarse a la producción de mieles vírgenes o meladuras, que, combinadas con el bagazo saponificado (tratado con álcalis) permite producir piensos para ganado vacuno. Y, en cualquier caso, los cogollos pueden guardarse 1178

como forraje fermentado (ensilaje) para servir de alimento rústico para el mantenimiento del ganado. Esta integración ya ha funcionado parcialmente, a escala comercial en México y en diversas partes de América Latina. 2. Los usos alternativos de la caña de azúcar Las alternativas principales disponibles para la caña del azúcar son: el azúcar granulado, el bioetanol, el biometano, los piensos para la producción vacuna y la pulpa de celulosa. Todas estas alternativas ya han sido puestas en práctica con tecnologías del dominio público que pueden ser consultadas por la vía electrónica gratuita (Internet). Pero, su análisis comparado aún no se ha divulgado lo suficiente como para promover el debate y facilitar las decisiones sobre el futuro de esta industria. 2.1. Producción de azúcar granulado El azúcar granulado, llamado sacarosa, se produce por cristalización a partir de las mieles obtenidas por la evaporación del agua del guarapo o jugo de caña. Este jugo, a su vez, se obtiene por la molienda de la caña, seguida de la extracción con agua (lixiviación) del bagazo o fibra residual. Según las estimaciones de la Tabla II, en México se cultivan 550 mil hectáreas con un rendimiento promedio de 80 ton/ha, de tallos (caña sin hojas) y con un rendimiento promedio de 9.6 ton de azúcar/ha, y una producción total de aproximadamente 5,2 Mton. De acuerdo con los datos del gremio azucarero (www.zafranet.com) durante la zafra 2007 a 2008, se produjeron, 1.84 Mton de melaza que usualmente contiene 45% de azúcares fermentables. Esa melaza se ha destinado a: la producción de etanol (33%), la elaboración de piensos (24%), la producción de levaduras (14%) y el resto se destinó a la exportación (29%). Con esos datos se puede estimar que cada hectárea de caña produce, en promedio, 11 ton de azúcar puesto en el batey (14% de azúcar en caña), de la cual, el 87% se recupera como azúcar granulado. Los precios de la caña en México han estado creciendo y en la última zafra fueron de $400/ton y los precios del azúcar estándar al mayoreo han llegado a $250 por bulto de 50 kg ($ 5000/ton). Tabla 2. Estimaciones de la producción de caña y azúcar en México según Luis Ramiro García Chávez (Tesis doctoral en Economía, UNAM 1996) Quinquenio Mha* ton/ ha Mton** de azúcar ton azúcar/ ha 1995 1999 5.50E+05 70 3.85 7.00 2000 2004 5.50E+05 75 4.57 8.32 2005 2009 5.50E+05 80 5.28 9.60 Mha = millón de hectáreas. ** Mton = millón de toneladas 1179

2.2. Producción de bioetanol Ya se indicó que la producción de etanol en México se realiza principalmente por la transformación de 600 mil toneladas de melaza que dan lugar a la producción de 170 ML (263 L/ton de melaza). La reacción responsable del proceso puede ser esquematizada de la siguiente forma: C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Esta relación teórica permite calcular el rendimiento de alcohol que es de 51.1 kg por 100 kg de azúcar. Pero, en la práctica industrial el rendimiento es cercano al 90% del teórico, porque se producen pérdidas ocasionadas por pequeñas desviaciones de la fermentación, asociadas a la producción de levaduras y al aceite de fusel, así como las fugas producidas en los alambiques. bioetanol se puede representar el proceso de la siguiente forma: C 6 H 12 O 6 3CH 4 + 3CO 2 Aquí, la proporción teórica de producción del biometano (CH 4 ) es de 26.7 kg por 100 kg de azúcar fermentada. El metano es un gas muy poco soluble en agua (20 mg/l) a diferencia del dióxido de carbono que es 60 veces más soluble en condiciones cercanas a la neutralidad del agua. Por esa causa, el gas que se desprende del tanque de reacción, llamado biogás, está enriquecido en metano (60% a 70%) con respecto al resto que es principalmente CO 2 y menos del 1% de ácido sulfhídrico (H 2 S) derivado de la putrefacción de las proteínas que puedan estar presentes en el medio de fermentación. Cabe mencionarse que no se requiere aplicar energía externa para la obtención del biogás. 2.3. Producción de biometano Un biocombustible alternativo al bioetanol es el biometano. Se produce por la acción conjunta de un consorcio bacteriano anaerobio. Esto quiere decir, una población numerosa y heterogénea de bacterias que crecen en la ausencia de oxígeno (sin aire). De manera similar al esquema químico del 2.4. Producción de celulosa del bagazo de la caña En una tonelada de tallos, la fibra comprende cerca del 15% de su peso. A esta fibra se le llama bagazo y está dividida en dos fracciones: la médula o bagacillo que es la fibra del interior de la caña (20%) y el bagazo, propiamente dicho (80%), que es la fibra larga presente en la cubierta dura, 1180

asociada con ceras que protege a la caña de los agentes externos. Usualmente, el bagacillo es utilizado como ayudante de filtración de los sedimentos del guarapo, llamados colectivamente como cachaza. La fibra residual después de la molienda puede ser utilizada como combustible en las calderas para producir vapor que mueve los generadores de electricidad necesarios para operar los molinos. En un ingenio bien manejado, se puede recuperar un 20% del bagazo sin quemar y este material, mezclado con bagacillo, puede ser utilizado para producir pulpa de celulosa. Si se omite el proceso de cristalización y sólo se requiere la molienda y la producción de meladura o miel virgen, el consumo del bagazo se reduce al 50%, quedando el remanente para producir celulosa o como bagazo tratado con álcali (saponificado) para servir como forraje. El proceso de manufactura de la celulosa requiere la separación mecánica del bagacillo (20%) en tolvas continuas, porque este material tiene fibras muy cortas y produce una celulosa de baja calidad. El rendimiento de la fibra desmedulada en pasta de celulosa es cercano al 48%. En consecuencia, por cada tonelada de bagazo, se obtienen cerca de 380 kg de celulosa y 200 kg de bagacillo que puede ser usado como combustible o como aditivo forrajero. 2.5. Producción vacuna con caña subproductos de la caña Los vacunos son animales rumiantes que pueden transformar en sus panzas la casi totalidad de los azúcares ingeridos y un parte de la celulosa para producir ácidos grasos volátiles (AGV), dióxido de carbono y metano. A su vez, los vacunos pueden absorber con rapidez a los AGV (ácidos acético, propiónico y butírico) para utilizarlos como su principal fuente de energía metabólica. Esta digestión se ve acompañada de la producción de biomasa microbiana en una proporción que varía entre el 10% al 20% de la materia digerida y esta biomasa puede ser aprovechada como fuente alternativa de proteína por el animal. En principio, es posible alimentar a una vaca lechera con baja producción (12 L de leche al día) si se alimenta de celulosa digerible y de azúcares y almidones en cantidad suficiente para llenar sus requerimientos energéticos. Por su parte, la fermentación natural de los piensos en la panza de los vacunos, produce suficiente proteína microbiana para reducir en cerca de un 30% los requerimientos nutricionales de proteína en la dieta. Por eso se suele añadir urea en una proporción de 1 g por cada 30 g de materia fermentable, para reducir el costo de la ración. Para complementar la dieta, se pueden añadir mezclas de cereales y pastas proteínicas. Esto permite producir piensos 1181

concentrados compuestos en un 50% de mezclas de melaza, bagazo pre digerido con álcali y urea. A estas mezclas se le pueden añadir harinas de maíz y pasta de soya para producir un pienso concentrado con 82% de digestibilidad y 20% de proteína que sirve de complemento para una dieta forrajera basal. Por ejemplo: con forraje fermentado (ensilado) derivado de los cogollos de la caña. La ventaja de estos piensos radica en la reducción del consumo de granos que cada vez se importan en mayor volumen. Además, el costo de la melaza, el bagazo y la urea es mucho menor al costo de los granos que sustituyen. 3. Balances de materiales y créditos de la bio-refinería de la caña de azúcar En la Tabla 3 se indican los balances de materiales de cuatro alternativas para la transformación de la caña de azúcar, calculadas para un ingenio tipo de 20,000 ha de caña, con rendimientos de 80 ton/ha de tallos puestos en el batey (patio del ingenio). a) Alternativa convencional: todo el guarapo es procesado para fabricar azúcar, el bagazo se utiliza como combustible en las calderas y se produce melaza que se vende en el mercado libre. b) Alternativa de bioetanol: el guarapo se destina a la producción de bioetanol y el bagazo se utiliza como combustible en las calderas. c) Alternativa ganadera con biometano: El guarapo se destina en un 59% para la producción de biometano, y el otro 41% para la fabricación de meladuras. Por su parte, el bagazo se destina en un 50% como combustible en las calderas y el resto, tratado con álcali, para la fabricación de piensos, mezclado con las meladuras. Los piensos se producen como mezclas con maíz y soya y una relación melaza/bagazo = 1.82. La meladura y el bagazo pre digerido se vende con un incremento en valor del 40%, en función del valor agregado de la mezcla final. d) Alternativa de biometano y celulosa: el guarapo se destina en un 100% a la producción de biometano, el bagazo (fibra larga) se destina en un 40% a la producción de celulosa y el resto es quemado en las calderas para producir la electricidad requerida en los molinos. En la Tabla 3 se muestran los balances correspondientes a estas alternativas. Para comparar los posibles rendimientos económicos se tomó como referencia el costo de la caña de azúcar puesto en el ingenio a 1182

$400/ton y se relacionaron las posibles ventas o créditos como cociente, Q, con ese costo. Tabla 3. Balances de cuatro alternativas para una bio-refinería de caña de azúcar ton/ha Ton USD/ton $13/US MILLONES DE DÓLARES US AZUCAR BIO- PIENSOS CH4+ ETANOL Y BIO- CELULOS METANO A Caña 80 1,600,000 31 $49 $49 $49 $49 Cogollos 20 400,000 % Reductores 12 240,000 % Bagazo 12 240,000 Bagazo forrajero 119,973 153 $18 Azúcar 11.04 220,800 386 $85 Melaza 2.13 42,667 92 $4 Miel (pienso) 218,133 106 $28 Celulosa 46,080 500 $23 Gasolina ($/L) 8 MS ensilaje 6.00 120,000 77 $9 Bioetanol 5.21 104,264 477 $50 Biometano 2.72 54,399 900 $29 $49 VENTAS $89 $50 $85 $72 VENTAS/CAÑA 1.81 1.01 1.72 1.46 Nota: El precio de la melaza (o meladura) y el bagazo para piensos se multiplicó por 1.4 por el valor agregado del producto. La proporción de melaza a bagazo en los piensos de 1.81, fue la relación óptima para promover la digestibilidad de las fibras en una dieta combinada con otros ingredientes. Los precios fueron los publicados en Internet para 2008. Se estimó que el 50% del bagazo era el requerimiento mínimo para las calderas y la electricidad necesaria en la molienda. Los precios de los biocombustibles fueron calculados en función de su equivalencia energética con la gasolina. Los cálculos corresponden a un ingenio de 20 mil ha. Los cálculos son del autor. La alternativa con mayor valor de, Q = 1.8, resultó ser la convencional. Esto se deriva del alto precio del azúcar en el mercado mexicano que es, aproximadamente, el doble del precio en el mercado internacional. Sin embargo, la alternativa ganadera con bio-metano, también resultó atractiva (Q = 1.7). La producción especializada de bioetanol no fue atractiva (Q = 1) porque el precio de la caña es alto y el precio de la gasolina aún no compensa ese costo de la materia prima. La alternativa productora de celulosa y biometano resultó medianamente atractiva (Q = 1.4). Este análisis no incluyó las tendencias relativas de los precios en el mercado 1183

mundial. Pero, en un análisis aparte, se ha podido demostrar que esas tendencias muestran un carácter más inflacionario para los alimentos y la celulosa que para los combustibles. Una posible razón de estas diferencias, podría ser el hecho que la energía es un insumo para producir los otros productos. De ahí que los alimentos y los productos transformados tiendan a encarecerse más que la energía. Por otra parte, la producción masiva de los biocombustibles, principalmente el bioetanol, también puede encarecer indirectamente los alimentos, al reducir las tierras disponibles para producir éstos últimos. La biomasa también se puede usar para producir sustitutos de materiales petroquímicos, incluyendo el propanediol, el ácido láctico y el ácido succínico. Estos compuestos ya se están elaborando a escala industrial y, muy probablemente, será mucho más rentable producirlos éstos que los biocombustibles. En conclusión, el análisis aquí presentado indica que sería mucho más rentable la transformación o ampliación de la industria azucarera para la producción de piensos y biometano que para la producción especializada de bioetanol. Además, esta alternativa ayudaría a reducir la dependencia del maíz y la soya de importación, mediante el uso de mezclas equilibradas en energía y proteína, usando meladuras, mezcladas con bagazo tratado con cal y urea. Estas mezclas podrían asegurar un mercado interno para reducir la dependencia alimenticia que padece nuestro país. El diseño de nuevos ingenios con esta alternativa es mucho más simple que el de los ingenios azucareros convencionales y por lo tanto, requieren mucho menos capital para su instalación y operación. Bibliografía 1. Sansoucy, R., Aarts, G. & Preston, T. R. (1986). La caña de azúcar como pienso. Memorias de una consulta de expertos de la FAO en Santo Domingo, República Dominicana 7 11 de Julio. (http://www.fao.org/docrep/003/s8850e/s8850 e00.htm) 2. Paturau, J. M. Alternative uses of sugarcane and its byproducts in agroindustries (como parte de la referencia anterior) 1184