Biocombustibles:
etanol producido de biomasa de celulosa, ni sustentable, ni ambientalmente
benigno
Por Mae-Wan Ho
El etanol proveniente de la celulosa puede
ser producido de una gran variedad de residuos agrícolas (maíz,
cereal, caña de azúcar, etc.), los residuos vegetales
de los procesos industriales (pulpa de papel, aserrín)y de cultivos
energéticos como ‘switchgrass’.
Etanol celulosa el “Oro Verde”
La principal limitación de obtener
etanol de materia vegetal es que la mayoría de los azúcares,
con excepción de almidón de la mazorca, no son viables
para la fermentación con bacterias u otros microbios. Los azúcares
están encerrados en la celulosa, el material fibroso que representa
el 75 o 85% de la planta, el resto es lignina, el material de la madera.
Sin embargo un cóctel de enzimas llamadas
celulasaspueden descomponer la celulosa en sus unidades de azúcares,
que si pueden ser fermentadas por microbios convirtiendo los azucares
en etanol (ver cuadro). Eso significa que la hierba, la paja y otros
residuos de los cultivos agrícolas pueden ser convertidos en
etanol. Esto se ha denominado como el ‘oro verde’ que podría
reemplazar el ‘oro negro’ crudo, importado y que se ve como
un potencial para reducir sustentablemente el consumo de combustibles
fósiles.
“Por lo menos es tan factible como
el uso de Hidrógeno como una fuente de energía para el
sector de transporte sustentable”, dijo el Consejo de Defensa
para los Recursos Nacionales (NRDC por sus siglas en inglés)
y la Unión de Científicos Preocupados (UCC).
Shell Oil predijo que el mercado global de
biocombustibles como ‘etanol celulosa’ crecería por
encima de los $10 billones para el 2012.
Un estudio financiado por la Fundación
de Energía y la Comisión Nacional para Políticas
Energéticas concluyó que “los biocombustibles junto
con vehículos de mayor eficiencia y crecimiento inteligente podría
reducir la dependencia del sector transportista en petróleo en
dos tercios para el 2050 de forma sustentable”. ‘Crecimiento
inteligente’ es un término de planificación que
significa el crecimiento que maximiza el desarrollo sustentable de ciudades
en relación a transporte y otras formas de reducir el uso de
energía.
El etanol proveniente de la celulosa puede
ser producido de una gran variedad de residuos agrícolas (maíz,
cereal, caña de azúcar, etc.), los residuos vegetales
de los procesos industriales (pulpa de papel, aserrín)y de cultivos
energéticos como ‘switchgrass’.
Lee Lynd, catedrático ingeniero de
Dartmouth, ha estado trabajando con la Planta de Papel Gorham, para
convertir la pulpa de papel en etanol. Lynd dice que “esto es
realmente un producto de costo negativo, y que el hecho de que esté
pretratado elimina un paso en el proceso”.
La compañía Masada Oxynol está
planificando la construcción de una planta en Middletown, Nueva
York, para procesar los desechos municipales y convertirlos en etanol.
Después de recuperar los reciclables, se empleará una
hidrólisis ácida para convertir el material vegetal en
azúcares. “La planta tendrá beneficios económicos
como ambientales”, dijo David Webster, Vicepresidente de Masada.
El proceso reduce o elimina la necesidad de rellenos. Entre los desechos
del proceso se incluyen lignina y ceniza. La ligninaserá recuperada
a través de la quema para hacer que la planta sea autosuficiente
energéticamente y la ceniza pueda usarse como fertilizante.
Reduciendo el costo de produccion
Las celulasas que se necesitan para descomponer
la celulosa hasta ahora se obtienen de hongos, en particular de Trichoderma
reesei. Científicos de NREL han investigado otras fuentes como
la bacteria Acdiothermus cellulolyticus, que han encontrado en las termas
del parque nacional Yellowstone. Pero las bacterias exogluconasa normalmente
no son tan buenas como el hongo, aunque toleran temperaturas altas.
El próximo paso es combinar tolerancia a altas temperaturas con
la eficiencia del enzima del hongo. NREL y DOE han contratado las compañías
de enzimas mas grandes, Genecor International y Novozymes para reducir
los costos de producción de celulasas a un promedio de $0.10-
0.20 por galón de etanol y lo han conseguido (1).
Otra mejora es en relación a la acción
simultánea de la enzima y los microbios fermentadores, para que
así mientras se vaya produciendo los azúcares por las
celulasas los microbios vayan fermentando la glucosa convirtiéndola
en etanol (3). La Corporación Logen en Ottawa, Canadá
(4) fue la primera en desarrollar el proceso de obtener etanol de celulosa.
Ha construido la primera y única planta de demostración
para convertir biomasa celulosa en etanol. La planta procesa 40 toneladas
de paja de trigo por día, Logen se convirtió en la primera
compañía en comercializar etanol de material vegetal en
Abril del 2004. El principal consumidor hasta ahora es el gobierno canadiense,
que junto con el gobierno de EE.UU. (particularmente el DOE’s
NREL) ha invertido millones de dólares para ayudar a comercializar
la celulosa etanol.
Como las celulasas convierten a la celulosa
en reservas para la produccion de etanol
La unidad cristalina de la celulosa esta
compuesta por cientos de tiras, cada tira contiene cientos de unidades
de glucosa unidas. La celulosa esta enrollada en una funda de hemicelulosa
y lignina, que protege la celulosa de descomposición. La hemicelulosa
es mas fácil de descomponer que la celulosa en si (2). Una combinación
de calor suave, presión y acido descompone la hemicelulosa en
sus componentes de mezcla de azúcares, principalmente silosa.
Científicos del laboratorio Nacional
para Energía Renovable (NREL por sus siglas en ingles) del Departamento
de Energía (DOE) usaron ácido sulfúrico para descomponer
reaccionando con agua la funda de hemicelulosa-lignina, exponiendo la
celulosa.
Para hidrolizar la celulosa químicamente
se requiere de temperaturas y presión altas y ácidos fuertes,
esto implica equipos bastante costosos; por lo cual se ha buscado enzimas
celulasas, para que hagan el trabajo.
A diferencia de los seres humanos que no pueden digerir celulosa, las
vacas, termitas y hongos si pueden hacerlo. Algunas bacterias, hongos
e insectos producen celulasas, otros animales utilizan bacterias que
producen celulasas en sus sistemas digestivos.
La mayoría de celulasas se forman
de tres complejos de enzimas que trabajan juntos para hidrolizar la
celulosa. Primero la endolucanasa descompone una de las cadenas dentro
de la estructura cristalina de la celulosa, luego la exoglucanasa atrae
una de las puntas sueltas y estira la cadena de celulosa destruyendo
la estructura, cortando las unidades de celulosa en dos unidades de
glucosa. Finalmente betaglucosidasa parte las dos unidades en dos moléculas
de glucosa, que puede ser fermentada en etanol.
Es el etanol de celulosa
sustentable?
Un estudio preliminar del ciclo de vida del
etanol de celulosa mostró que se reduce en un 89% las emisiones
de gases invernaderos sobre el uso de petróleo. En contraste
etanol fermentado de azúcar reduce gases invernaderos en un promedio
de 13%. (5).
La producción de energía aparenta
ser la mejor de todas, con una relación del 1,98 de inversión
/ ganancia, que significa que cada unidad de energía invertida
produce casi 2 unidades de energía de ganancia por la producción
de celulosa etanol; pero posiblemente esto es una exageración
a causa de fallas en los procesos de contabilidad.
¿Puede la agricultura de EE.UU. sostener
un sistema a gran escala de producción de etanol de celulosa?
¿Hay suficiente tierra? ¿Se puede producir suficiente
biomasa sin impactar el costo de tierras agrícolas, compitiendo
con la producción de alimentos y sin dañar el medio ambiente?
La respuesta a esta pregunta varía
entre un no hasta un definitivo si, dependiendo de esfuerzos de investigación,
tecnología innovadora y políticas gubernamentales (1).
Una propuesta estima que para producir 50
billones de galones de etanol por año de biomasa de celulosa,
el flujo de residuos solo proporcionaría el 40 o 50% de la materia
prima, el resto tendría que venir de cultivos energéticos
como es el maíz y switch grass, que causaría grandes impactos
al sistema agrícola.
Niveles mayores a esto produciría
impactos en el costo de tierras agrícolas y competencia con la
producción alimenticia.
Los Estados Unidos ha fijado la meta en el
consumo de gasolina para carros y camiones para el año 2050 en
290 billones de galones.
Incrementando eficiencia de los vehículos
a 50 mpg. o mas e incluyendo políticas de crecimiento inteligente,
el consumo se podría reducir a 108 billones de galones para el
año 2050.
Un informe de NRDC, Growing Energy (6) dice
que el número de galones de etanol actualmente producido por
cada tonelada seca de biomasa en los Estados Unidos es de 50 galones,
o 208,93 litros (una pobre comparación en relación a 371,75
litros por tonelada del maíz (7).
Si se podrían alcanzar las predicciones
hechas para switch grass de 12,4 toneladas secas por acre (27,77 toneladas
por hectárea) – que es mas del doble de la media actual
de 5 toneladas secas por acre – entonces se estima que 114 Ha.
dedicadas al cultivo de switch grass podrían proveer la suficiente
biomasa para producir 165 billones de galones de etanol (equivalente
a 108 billones de galones de gasolina).
Esto consumiría 26,4% de la producción
total del los Estados Unidos, o el 12,2% total de la tierra agrícola,
y seguramente impactaría la producción de alimentos.
Una idea para producir biocombustibles económica
y eficientemente es desarrollar bio-refinerías, análogas
a las refinerías de petróleo, donde el crudo es convertido
en combustibles y productos secundarios como fertilizantes y plásticos.
En el caso de las bio-refinerías, la biomasa de la planta produciría
una diversidad de productos como comida para animal, combustibles, químicos,
polímeros, lubricantes, pegamentos, fertilizantes y energía.
John Sheehan de NREL ha estado utilizando
un simulacro en software para ver el diseño de la bio-refineria.
Sheehan opina que el tema de la escala es un asunto importante. El ha
descubierto que las bio-refinerías necesitarían procesar
5 000 a 10 000 toneladas de biomasa por día para ser viables
económicamente. Por debajo de 2 000 por día, el costo
de capital es alto.
Un estudio del DOE y USDA publicado en abril
del 2005 concluye que bosques y tierras agrícolas tienen el potencial
de proveer un incremento de 7 veces más de biomasa que actualmente
es usado para energía de biomasa y productos – en exceso
de 1,3 billones de toneladas secas – que es suficiente para satisfacer
mas de una tercera para de la demanda actual para el uso de combustibles
para el transporte.
Mas del 25% vendría del uso extensivo
del manejo forestal y un 75% del manejo intensivo de tierras agrícolas.
La mayoría de los recursos primarios sería de los residuos
de la tala de Madera y tratamiento de combustibles (para reducir los
peligros de incendios) de bosques, y los residuos de productos agrícolas
de tierras agrícolas.
Estas cifras se basan entre otras cosas,
en proyecciones (optimistas) del incremento de la producción
de cultivos, especialmente en un 50 por ciento en los mayores productos
para bioenergía, plantado en tierras sin uso incluyendo 8 m de
acres que anteriormente usaban para el cultivo de soya.
Es evidente que a menos de que se reduzca
el consumo de los niveles actuales, los biocombustibles de cultivos
energéticos no podrán reemplazar combustibles fósiles
sin impactar la producción alimenticia.
Futuros Desarrollos
Otra dificultad es que 27% de la biomasa
de la planta está compuesta por azúcares distintas a la
glucosa, como hemicelulosa (por ejemplo la xilosa). Estas azúcares
no son fermentadas por los microorganismos usuales.
La celulosa constituye un 40-50 por ciento
del peso seco, y la hemicelulosa el 20-35%.
Lonnie Ingram, profesor de microbiología
de la Universidad de Florida en el Instituto de Alimentación
y Agricultura, estuvo en los titulares (9) porque su equipo de investigación
ha creado genéticamente un tipo de bacteria E. coli para producir
etanol a partir xilosa (10). Se ha comercializado con la ayuda del DOE
de EE.UU. La compañía, BC International Corp., que se
encuentra en Dedham, Mass., tiene derechos exclusivos sobre el uso y
licencia de esta bacteria genéticamente modificada.
Esta bacteria transgénica de Escherichia
coli fue creada transfiriendo los genes necesarios para la fermentación
de azúcares – decarboxilasa piruvato y alcohol deshidrogenado
– de la bacteria Zymomanas mobilis, y xilosa fermentada produce
etanol al 95% del nivel teórico (11).
Greg Luli, vice-presidente del equipo de
investigación de BC International dijo que la compañía
tiene planes de construir una planta para convertir 30 millones de galones
de biomasa en etanol en Jennings - Louisiana, que se espera estará
en funcionamiento para finales del 2006. Desechos de la industria de
la caña de azúcar en Louisiana será la principal
materia prima para la planta.
Se están llevando iniciativas paralelas
a cabo en Europa. La compañía Suiza Etek Etholtekhnik
AB anunció que abrirá una planta piloto para producir
400-500 litros de etanol diarios de 2 toneladas de biomasa seca (12).
La planta está diseñada para realizar dos pasos, hidrólisis
acido diluido y una combinación con enzimas.
Aunque la materia prima es madera liviana,
también se probaran otro tipo de biomasa como maderas duras y
cultivos anuales como paja.
La planta piloto estará ubicada en
Ornskildsvik en el norte de Suiza, cerca de una planta de etanol de
sulfato de pulpa. Tres Universidades en la región – Universidad
de Umea, Mid Sweden University y la Universidad Técnica de Lulea
– tienen su planta propia.
Aun no es económicamente viable ni
sustentable
Uno de los problemas con la tecnología
de fermentación de xilosa con bacterias, como resume el grupo
de profesores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT)
en un documento entregado al Comité de Energía de MIT
(13), es que el etanol producido es bastante diluido, como máximo
5-6%, comparado con 12% del almidón del maíz fermentado
por levadura.
La bacteria de Lonnie Ingram produce 4.5%
de solución de etanol (14). La razón es porque algunos
compuestos se acumulan durante la fermentación de la mezcla de
azúcares de la biomasa inhibiendo el crecimiento bacterial.
En otras palabras, la bacteria produce cerveza
y no vino; y el agua extra que se necesita y la energía extra
para destilar el etanol convertiría el proceso en no viable económicamente
ni sustentable.
Los profesores del MIT también cuestionan
si la idea de hacer una biorefinería para otros productos generados
de la fermentación es viable económicamente. Proponen
usar la biotecnología para crear microorganismos que puedan superar
la inhibición en su crecimiento y de esta forma mejorar la producción
de etanol a partir de biomasa.
Si hacen esto, se tendrán que asegurar
de que no escape la bacteria al medio ambiente, y esto se aplica a cualquier
otra bacteria que se genere para producir etanol de celulosa.
Hace algunos años, la científica
de suelos Elaine Ingham y su estudiante Michael Holmes probaron una
bacteria genéticamente modificada, Klebsiella planetícola
que producía etanol de los desechos maderables (15) y encontraron
que mataba a toda planta de trigo independiente de las condiciones (16).
Impactos ambientales de la producción
de etanol
¿Es etanol realmente más limpio
y más ambiental amigable que la gasolina? En una sesión
del Senado de EE UU sobre el Acta Nacional de Combustibles y Químicos
Sustentables de 1999, el NRDC presentó evidencias (17) que los
productos generados de la combustión de etanol incluyen formaldehído
y acetílico, los dos siendo cancerígenos; y que incrementando
el uso de etanol podría incremental los niveles ambientales de
peroxiacetinitrato (PAN).
El acetaldehído esta listado como
Contaminante Toxico del Aire en California basado en evidencia de sus
propiedades cancerígenas y PAN dice que este químico es
“genotóxico (causa daño genético) y produce
problemas respiratorios e irritante a los ojos, también puede
producir daños pulmonares”.
El NRDC señaló que incrementando
el uso de etanol en el combustible podría llevar a un aumento
de la exposición a etanol vía inhalación, que podría
resultar en una variedad de tóxicos asociados con la ingestión
de etanol. También alertaron sobre las emisiones de nitratos
óxidos y compuestos inflamables orgánicos que producen
ozono.
Reciéntemente, Cal Hodge de la empresa
Second Opinion Inc. reportó que niveles de ozono en la atmósfera
han incrementado en California desde el 2003 asociados con el cambio
del uso de etanol en un 10% en compuestos de gasolina un año
atrás (19).
El exceso de ozono en La Costa Sur de California
es dos veces mayor que en últimos tres años, mientras
que la concentración máxima de ozono subió a un
22%. Este incremento en ozono se correlacionó con un incremento
en las emisiones de óxido de nitrógeno y compuestos orgánicos
volátiles, que no fueron registrados por la Agencia de Protección
Ambiental de EE.UU. (EPA).
El EPA aprobó el etanol en gasolina
usando un modelo erróneo para sus pruebas, que no toma en cuenta
el hecho que el etanol tiende a producir mas óxidos de nitrógeno,
que suele escaparse de los tubos sellados del sistema de combustible
de los vehículos y que reduce la eficiencia, por lo tanto, incrementa
emisiones de gases. Se hace necesario un llamado para que “no
se permita la expansión del uso” de etanol en la gasolina
de los EE.UU.
Biodiesel tiene mayores impactos ambientales
que el diesel
Se incrementa recursos primarios inorgánicos,
para producir fertilizantes en un 100%
Se incrementa desechos no radioactivos, principalmente
gipsium, un producto generado por la producción de fertilizantes
de fosfato en un 98%
Se incrementa desechos radioactivos por el suministro de electricidad
generada de las plantas nucleares en un 90%
Se incrementa oxidantes fotoquímicos, especialmente hexano en
soluciones basadas en extracción de aceites, en casi un 70%
Se incrementa el uso de agua en un 30%
Se incrementa la acidificación de los óxidos de nitrógeno
y sulfato y amonio expulsados durante el crecimiento de cultivos de
colzay también durante la combustión de biodiesel en un
15%.
Notas
1.- Este articulo es parte de la reciente
publicación: “Which Energy?” Informe sobre Energía
2006 del Institute of Science in Society, y cuyos autores son Mae-Wan
Ho, Peter Bunyard, Peter Saunders, Elizabeth Bravo y Rhea Gala.
Para ver el texto completo sobre Energía, todas las notas, referencias
y conocer más sobre los biocombustibles pueden bajar el documento
(en inglés) completo del sito: http://www.twnside.org.sg/title2/par/whichEnergy.pdf
2.- La version publicada en Ecoportal.net
fue extractada de la publicada en el boletin Resistencia de la Red Oilwatch
3.-¿Qué son los biocombustibles?
Los biocombustibles se derivan de cultivos
de plantas, e incluyen biomasa que es directamente quemada, biodiesel
de semillas oleaginosas y etanol (o metanol) que es el producto de la
fermentación de los granos, pasto, paja o madera.
Los biocombustibles han ganado fama entre
los grupos ambientalistas como energías renovables que son “libres
de carbono”, por lo que no producirían gases con efecto
invernadero; simplemente al quemarlos, el dióxido de carbono
que las plantas tomaron cuando crecían en el campo, regresa a
la atmósfera.
Sin embargo, hay varios aspectos que no son
tomados en cuenta en este análisis. Por ejemplo, los cultivos
destinados a biocombustibles, ocupan tierras valiosas que podrían
usarse para cultivar alimentos, especialmente en países empobrecidos.
Hay estimaciones realistas que muestran que generar energía a
partir de cultivos requiere más energía fósil que
la energía que producen, y que no reducen sustancialmente las
emisiones de gases con efecto invernadero, cuando se incluyen todos
los factores en los cálculos.
Más aún, causan irreparables
daños a los suelos y al medio ambiente.
Los biocombustibles pueden también
producirse a partir de chips de madera, residuos de cultivos y otros
desechos agrícolas e industriales, los cuales no compiten por
suelo, pero cuyos impactos ambientales son aún sustanciales.
Fuente: ISIS. 2006 .
www.EcoPortal.net