Los BIOCOMBUSTIBLES (parte 3)

Después de que el segundo post nos pintase un futuro poco alentador para los biocombustibles de primera generación que actualmente nos encontramos en el mercado, nos queda desquitarnos con esta tercera y última parte, donde podremos ver las soluciones que la tecnología y la investigación pretenden dar en los próximos años, si las "soluciones" políticas no lo impiden.

La SEGUNDA GENERACIÓN, a partir de biomasa celulósica.

Una segunda generación de biocombustibles surge ante la necesidad de utilizar materiales vegetales que permitan la obtención de biocombustibles que no compitan directamente con los mercados alimentarios ni afecten a los usos del suelo, presentando una mayor variedad en su tipología y potencial de uso, y  disponiendo de un menor coste asociado a la materia prima. Esta materia prima ya no se cultivará de forma explícita para su uso en la generación de biomasa y la producción de biocombustibles (pudiendo provenir de residuos de biomasa) o, de hacerlo, no competirá contra cultivos alimentarios ni requerirá de costosos medios de cultivo y explotación agrícola (utilizando cultivos de especies vegetales no alimentarias).


Photo by PublicDomainPictures en Pixabay
La biomasa utilizada es la que se denomina como ligno-celulósica, y se corresponde con aquella asociada a cualquier resto de biomasa vegetal (restos de poda y de cultivo, paja, desmontes, cáscaras, raíces, sarmientos, etc), pudiendo obtener a partir de la misma tanto bioetanol como biodiesel a través de distintos procedimientos de extracción.

Esta segunda generación de combustibles, sin embargo, no termina de alcanzar el desarrollo industrial pleno debido a ciertos problemas que le restan competitividad, siendo la generación que no obstante más cerca se encuentra actualmente de esta meta y que podría presentarse como una alternativa de futuro a los combustibles de primera generación en un "breve" plazo de tiempo.

El bioetanol de segunda generación

En el caso del bioetanol, el problema de su obtención a partir de materia ligno-celulósica  complica el proceso de fermentación habitual requiriendo de pretratamientos previos de la biomasa utilizada.

La razón es bien sencilla: las plantas presentan un polímero denominado lignina que sirve de protección y cimentación para las mismas, y los azúcares que sirven para la producción de bioetanol están contenidos en moléculas de celulosa y hemicelulosa que también son de difícil descomposición, tal y como hemos visto para el caso del maíz en la primera parte de esta trilogía.

Para obtener los azucares en la actualidad se llevan a cabo procesos de pretratamiento a presión con agua caliente y ácido que permiten la separación de las fibras de lignina, celulosa y hemicelulosa, para realizar una hidrólisis ácida o enzimática de las celulosas que permite la obtención de los azúcares.

Evidentemente, todo este pretratamiento se debe realizar de manera previa a los procesos habituales de fermentación y destilación, lo que supone fuertes costes adicionales tanto en materia energética como de consumo de materias primas y reactivos para la obtención de cantidades inferiores en bioetanol a las obtenidas con los procesos llevados a cabo para el bioetanol de primera generación.
A pesar de ello, existen ya en la actualidad plantas de producción de bioetanol a partir de material ligno-celulósico implantadas a escala industrial que logran rendimientos aceptables, gracias a que optimizan el proceso de pretratamiento, sustituyéndolo en muchos casos por una hidrólisis enzimática, y haciéndose más competitivas al obtener el bioetanol a partir de fuentes de biomasa lignocelulósica alternativa.
Existen plantas a escala industrial que utilizan ya biomasa residual con costes prácticamente nulos, tales como desechos cítricos, o incluso residuos sólidos urbanos (la fracción orgánica de estos residuos) o procedentes de cultivos de bajo mantenimiento como el "switchgrass" o similares con una gestión optimizada de los mismos.
    En cualquier caso, los costes asociados a los pretratamientos necesarios hacen que estos sean el proceso más caro en todo el sistema para la obtención de bioetanol. Y esto ha hecho que esta línea de biocombustibles no haya experimentado un desarrollo más extendido, generando incluso líneas de investigación concretas en muchas instituciones tecnológicas, públicas y privadas, para encontrar una solución lo abarate y mejore.

    La línea de investigación, como en otras muchas ocasiones, está basada en el intento de los científicos por reproducir los procesos naturales de degradación y fermentación del material ligno-celulósico, acelerándolos para obtener bioprocesos consolidados (CBP), habiéndose llegado recientemente a logros de gran importancia:
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    Hongo T.Reesei .
    En julio de 2013 se publicaba un interesante artículo en la Academia Nacional de Ciencias de USA donde se describían los avances experimentados en una de estas líneas de investigación, la iniciada por las Universidades de Mitchigan y California respecto a la obtención de un dúo simbiótico hongo-bacteria que permite la descomposición de la materia ligno-celulósica junto con la fermentación en paralelo de los azúcares sin necesidad de tratamientos previos.
    El misterio que han resuelto es encontrar la asociación perfecta y el equilibrio entre la acción de un hongo, el Trichoderma reesei, que permite la hidrolización de la materia lignocelulósica mediante sus propias enzimas para la producción de sacarosas solubles, y la bacteria Escherichia Coli, modificada mediante ingeniería genética para la producción en este caso de isobutanol a partir de las sacarosas producidas.
    El estudio científico publica además un rendimiento de 1,88 gr de isobutanol por litro de solución, lo que hasta ahora es el rendimiento más alto jamás alcanzado en la producción de este combustible, llegando a un  62% del máximo de conversión energética. Los altos rendimientos alcanzados en la experimentación, junto con el producto obtenido, el isobutanol (un 15% más energético que el etanol frente a la gasolina), hacen prever cambios sustanciales en el futuro de los combustibles lignocelulósicos.
    Design and characterization of synthetic fungal-bacterial consortia for direct production of isobutanol from cellulosic biomass
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    En Junio de 2013 se anunciaba el avance producido en otra línea de investigación: la de encontrar una bacteria que descomponga a la vez la lignina y la celulosa y fermente los azúcares que contienen los residuos ligno-celulósicos, en un todo en uno.
    El logro que se ha conseguido en la Universidad de Georgia es encontrar una bacteria termófila, descubierta hace ya décadas en Rusia, y reclasificada en 2010 como Caldicellulosiruptor Bescii, que permite la descomposición de la lignina, la celulosa y la hemicelulosa, llegando incluso a solubilizar la primera y más problemática, y modificarla mediante ingeniería genética para conseguir que además descomponga los azúcares para generar biocombustibles.
    Por lo pronto el logro sólo incluye la descomposición lenta de la materia vegetal, en ratios del 25% por cada cinco días de tratamiento, y su modificación genética tan sólo permite la obtención de hidrógeno, pero los buenos resultados obtenidos hacer creer a estos científicos que en breves podrán conseguir un bioproceso consolidado que permita la generación de combustibles líquidos como el etanol.
    Producción de Hidrógeno a partir de biomasa celulósica utilizando baterias C. Bescii modificadas mediante ingeniería genética.
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    Tal y como se ha podido comprobar, en esta vertiente de la investigación muchos logros van unidos a la ingeniería genética y, más concretamente a la modificación genética de una vieja conocida de los científicos, la bacteria E.Coli. Sobre esta bacteria muchos laboratorios e institutos promulgan ya la consecución de fantásticos resultados en la obtención directa de biocombustibles similares o incluso superiores al bioetanol, lo que supondría además un ahorro sustancial en las fases de fermentación y posterior destilación.
    High-octane bacteria could ease pain at the pump.
    Bugs produce diesel on demand
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    Estos recientes descubrimientos incrementan las opciones de esta tecnología de segunda generación para la obtención de bioetanol, aportando nuevas líneas de trabajo que pueden conseguir dar un vuelco a las opciones de estos biocombustibles en un futuro muy cercano.

    El biodiesel de segunda generación.

    El biodiesel de segunda generación entra dentro de una "nueva técnica" de conversión de biomasa que se denomina como proceso "BtL" (Biomass to Liquid), basada en las técnicas de CtL/GtL utilizadas desde los años 30 en múltiples países, aunque modernizadas y convertidas a un concepto más sostenible que el original.

    El objeto de la tecnología es convertir la biomasa, de cualquier tipo, en un crudo sintético del que se pueden extraer combustibles líquidos de alta calidad. Pero, ¿cómo se consigue esto?, el proceso básico es el siguiente:
    • Gasificación: El primer paso consiste en gasificar la biomasa, es decir, convertirla en un gas de síntesis (syngas) formado por hidrocarburos, CO2 e hidrógeno. Esto se consigue mediante una combinación de reacciones termoquímicas en el seno de un agente gasificante con el que se llevarán a cabo reacciones de pirolisis, reducción y oxidación de la biomasa, sucesivamente.
    • Acondicionamiento: El segundo paso es acondicionar el syngas producido, haciéndole pasar por diversas etapas de tratamiento y depuración, para eliminar impurezas (partículas, NH3, ClH, CO2 o SH2) y ajustar las proporciones de H2:CO del gas.
    • Proceso Fischer-Tropsch: Aunque el Syngas podría utilizarse ya para generar energía mediante su combustión, si queremos convertirlo en combustible es necesario utilizar el proceso Fischer-Tropsch, que se convierte así en el corazón de esta tecnología de segunda generación. El objetivo del proceso es generar a partir del syngas un crudo sintético de alta calidad del que luego poder extraer distintas fracciones combustibles.
    • Destilación: Es la última fase del proceso y se corresponde con una operación de destilación al uso de la que se extrae no sólo biodiesel, sino también gasolina, GLP (gases licuados del petróleo), naftas y otros muchos productos.
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    El proceso Fischer-Tropsch, también conocido como FT, fue inventado por dos alemanes en los años 20 y consiste básicamente en una reacción de polimerización cuyo objetivo es producir parafinas y oleofinas a partir de gas, mediante la utilización de catalizadores de cobalto o hierro en una atmósfera controlada con alta presión (20 a 30 bar) y temperaturas de entre 200 y 350ºC.
    Patentado en 1925 y llevado a escala industrial en los 30, originalmente se ha caracterizado por ser un proceso utilizado por países con pocos recursos para suplir la escasez de derivados petrolíferos (de hecho, este fue el motivo de su invención), siendo Sudáfrica uno de los países que más desarrolló esta tecnología a partir de los años 50 y que más combustible genera a partir del mismo.
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    La ventaja principal de esta técnica de generación es la obtención de combustibles y productos de alta calidad, muy superiores a los obtenidos por otras vías productivas.

    El problema principal, que sin embargo estanca a los biocombustibles de segunda generación que siguen la técnica de Fischer-Tropsch, es que resulta una tecnología más cara que los procesos de refino de petróleo y que presenta impactos ambientales muy significativos, generando por ejemplo el doble de CO2 que estos.

    Sin embargo, las mejoras que están surgiendo en los últimos años hacen que este sistema sea cada vez más una opción a tener en cuenta. Las líneas de mejora están consiguiendo: 
    • Un adecuado tratamiento de flujos contaminantes de salida de los procesos más problemáticos, incluyendo por ejemplo sistemas para la captura del CO2 y su aprovechamiento en otros procesos.
    • El aprovechamiento de los flujos de calor residual de los procesos de gasificación y Fischer-Tropsch, con etapas exotérmicas que pueden ser reutilizadas en el propio proceso o en la generación energética, o
    • La mejora de los sistemas de gasificación y FT para incrementar su rendimiento, con conversiones ya superiores al 50% de la energía contenida en la biomasa.
    A estas mejoras se debe añadir además la consideración de que, al existir la posibilidad de aplicarlo a la biomasa, si se realiza junto a una buena optimización de los procesos de transporte de la misma al punto de fabricación, el proceso se vuelve considerablemente más sostenible ambiental y económicamente.

    Para finalizar el análisis de esta segunda generación de biocombustibles, y en paralelo con el proceso FT, se debe destacar la pujanza que está alcanzando en los últimos años el concepto de las Biorefinerías. 

    Dentro de un movimiento de industrias con base biológica (BBI), que cuenta con el apoyo y promoción de grandes industrias e instituciones públicas, el concepto de Biorefinería parece que se convertirá en una de las opciones a futuro para la fabricación de biocombustibles y otros productos derivados de la biomasa.

    El  objetivo es generar una transición del concepto actual de refino aplicado al petróleo, para transformar estos procesos y establecerlos a escala comercial en base a la biomasa, tal y como de hecho ya ha empezado a ocurrir con el hidrobiodiesel. La biorefinería se convierte así en un concepto análogo a la refinería clásica, buscando producir combustibles, productos químicos y energía, eso sí a partir de recursos renovables.


    La TERCERA GENERACIÓN, bajo el microscopio.

    La tercera generación de biocombustibles se conforma por cultivos bioenergéticos, aún en fase de desarrollo e investigación, diseñados para mejorar la conversión de la biomasa en combustible. 

    Aunque presentan todavía ciertas incógnitas en cuanto a su aplicación a escala industrial de forma generalizada (debido a sus costes económicos y/o energéticos, a los rendimientos obtenidos, o a determinados problemas técnicos) la evolución que están experimentado hace que tengan un futuro muy prometedor.


    photo credit: Microphyt via photopin cc
    La generación de biodiesel a partir de algas es una de las opciones tecnológicas que más apoyos está recibiendo en los últimos años por parte de entidades públicas y privadas, y que mas avances parece estar presentando dentro de las tecnologías generación de biocombustibles, dando lugar a un desarrollo exponencial de la ficotecnología.

    El cultivo de estos organismos para la generación de biocombustibles tiene múltiples ventajas:
    • No afectaría a los cultivos de alimentos ni ocuparía terrenos de cultivo.
    • Tiene, bajo condiciones ambientales controladas, una tasa de crecimiento muy superior a la de los vegetales terrestres y, por lo tanto, fijan mucho más CO2.
    • Esta misma velocidad de crecimiento hace que su tasa de producción de triglicéridos pueda ser hasta 15 veces superior a la de cultivos tradicionales como el de palma.
    • Algunas especies tienen además altos porcentajes azúcares, o generan otros productos con un alto valor en el mercado.
    • La necesidad de disponer de nutrientes las hace además candidatas a colaborar en el tratamiento de las aguas residuales. 
    • Se pueden cultivar durante todo el año y no tienen limitaciones o fluctuaciones temporales.
    El principio es bien sencillo y a la vez complicado de llevar a la práctica real. Se trata de realizar el cultivo de determinadas especies de algas, caracterizadas por su alto contenido en lípidos o azúcares, dosificando de forma controlada tanto los nutrientes necesarios como el CO2 e incluso la luz que precisan, y controlando además el resto de parámetros del cultivo (temperatura, pH, etc).

    Las más conocidas por su extensión y difusión son las microalgas cultivadas para la generación de biodiesel, en muchos de los casos aprovechándose también para el tratamiento de aguas residuales. 

    Las opciones de cultivo hasta el momento están entre los fotobiorreactores cerrados (los más comunes actualmente), que aíslan a las microalgas del exterior controlando así mejor su desarrollo, y los canales abiertos (conocidos como raceways), que cultivan especies compatibles con las condiciones ambientales, aunque en los últimos años están empezando a plantearse soluciones alternativas como los discos rotatorios (proyecto  europeo Algadisk).

    En cuanto a las candidatas posibles, comentar que los expertos cifran entre 50.000 y 100.000 el número de especies distintas que pueden existir actualmente, siendo tan sólo de 3 a 5 especies las que se utilizan para el cultivo bioenergético actualmente, contando con especies de los géneros de las clorofíceas o las diatomeas, que son las que más capacidad de acumulación de lípidos tienen, y quedando aún más del 80% de las especies por valorar.

    Aunque ya se está planteando la construcción de algunas instalaciones productivas a escala comercial (especialmente dirigidas no sólo a la obtención de biodiesel sino también a la generación de productos de alto valor añadido, tales como cosméticos, productos nutracéuticos, etc) y que se están realizando importantes avances en el estudio de nuevas especies y el desarrollo de mejoras sustanciales en los procesos, el biodiesel de tercera generación todavía tendrá que esperar un tiempo. Los procesos actuales todavía se encuentran con problemas importantes de estabilidad y excesiva complejidad del cultivo y su posterior procesado, así como con un problema de viabilidad económica, cuya resolución parece pasar por: 
    • La modificación de los procesos para reducir los costes de explotación (por ejemplo evitando la necesidad de forzar la dosificación de nutrientes),
    • La búsqueda y adaptación de especies alternativas, así como el estudio y selección de cultivos específicos.
    • La ingeniería genética de determinadas especies para hacerlas más resistentes y/o productivas.
    • La producción de determinados compuestos adicionales que generen valor añadido al cultivo.
    • La optimización de los procesos para el aprovechamiento de flujos de bajo coste, tales como aguas residuales o emisiones de CO2 de industrias.
    • El desarrollo de procesos de cosechado y procesado de las algas eficientes y de bajo coste.

    Además de las ampliamente estudiadas microalgas, existen en esta temática otros proyectos similares, aunque menos extendidos, que involucran a las macroalgas.

    De entre las macroalgas son muy pocas las especies de las que se controlan las condiciones de cultivo, y todavía resulta escasa la investigación en este campo, sin embargo ya existen algunos estudios como el de producción de bioetanol a partir de una macroalga conocida como huiro en Chile, que es una de las algas con mayor índice de crecimiento, en la que el 50% del peso son azúcares que pueden utilizarse para la generación de este combustible.


    La CUARTA GENERACIÓN, el futuro perfecto.

    La cuarta generación de biocombustibles representa el futuro perfecto para muchos expertos, ya que permite cerrar el círculo del carbono capturando el CO2 para convertirlo directamente en combustibles que se puedan volver a quemar.

    Aunque pueda parecer un auténtico mito, existe ya la tecnología que lo consigue y dentro de no mucho tiempo será posible la captura del CO2 y su conversión en combustibles listos para su utilización de nuevo en motores. Si quiere el lector informarse más sobre esta última generación, tan sólo tiene que referirse a mi post de junio: "Reciclando el CO2".



    Otros Enlaces de interés sobre este tema:
    Plataforma Tecnológica Española de la Biomasa
    Libro: Biofuels - Economy, Environment and Sustainability.
    Libro: Liquid, gaseous and Solid Biofuels - Conversion techniques
    Clean Technica.  

    Gas2.
    Ethanol Producer Magazine.
    Fischer-Tropsch Archive.
    Department of Energy - USA
    Biocombustibles de segunda generación, en Árboles y Medio Ambiente
    Laboratorio Nacional de Idaho
     

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