UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR LOS BACHILLERES:
CHÁVEZ VILCAHUAMÁN JHASMYN NATALI
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico
POMA FIERRO CRISTHIAN RIGOBERTO
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico del Gas Natural y Energía
HUANCAYO-PERÚ 2021
DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LA
CONCENTRACIÓN DEL H
2SO
4, TIEMPO Y
TEMPERATURA EN EL PRETRATAMIENTO
ACIDO DE LOS RESIDUOS DE MAÍZ MORADO
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ASESOR:
Dr. WILDER EFRAÍN EUFRACIO ARIAS
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DEDICATORIA
Este trabajo va dedicado en primer lugar a Dios por regalarnos de su infinita sabiduría y permitimos gozar de buena salud. A Jorge y Edith, mis padres que siempre han sido la luz en los momentos oscuros, que con ternura me han mostrado el camino correcto y que con su amor y apoyo incondicional convirtieron este logro en el de ellos. A mi hermano Diego Valentino por su granito de arena y su apoyo para lograr mis metas y objetivos.
Jhasmyn Chávez Vilcahuamán
A Dios por estar siempre conmigo, bendiciendo y guiando cada paso que doy, a mis padres Beto y Nora, por ser el pilar fundamental en mi formación como profesional y como persona, por brindarme amor, confianza, consejos, oportunidad y recursos con mucho sacrificio, para lograr este objetivo. A mis hermanos Medalith, Tatiana, Jilmer, Robinson y a mi sobrino Salvador, porque son una razón más para salir adelante y cumplir con todo lo anhelado.
Cristhian Poma Fierro
AGRADECIMIENTO
A Dios por regalarnos el milagro de la vida y guiar nuestros caminos para ser hoy personas íntegras y de éxito. A nuestros queridos padres que son nuestra fuerza y brújula en este camino, y que por su apoyo incondicional somos hoy profesionales y personas con valores. Durante nuestra etapa universitaria conocimos a personas valorables que han intervenido en el desarrollo de este trabajo y a quienes queremos expresar nuestra gratitud por el apoyo y la confianza que nos han prestado, por su tiempo y conocimiento de forma desprendida. Al Ms. Wilder Efraín Eufracio Arias por su asesoría, por su valioso tiempo y por motivarnos en el desarrollo de este trabajo con sabios consejos y sus acertados aportes, por su esfuerzo dedicado para culminar esta investigación, por brindarnos su apoyo cognitivo, por la conducción experimental y por facilitarnos equipos de alta relevancia para el desarrollo de nuestra tesis. A todos nuestros catedráticos que durante nuestra estadía como estudiantes nos han regalado lo mejor de sus conocimientos. A nuestros jurados, que nos ayudaron a dar lo mejor de nosotros en la elaboración de esta tesis. A nuestros amigos que nos han apoyado en diferentes etapas de este trabajo permitiéndonos alcanzar nuestros objetivos
RESUMEN
“El rendimiento de bioetanol de la hidrólisis de celulosa puede superar el 90% después del pretratamiento en comparación con el 20% para el caso sin pretratamiento” (Y. Li et al., 2020, p. 582). Por ello en la investigación se determinó la influencia de la concentración del H2SO4, tiempo y temperatura en el pretratamiento acido de los residuos de maíz morado.
En la parte experimental, 25 g de residuos de maíz morado se mezcló con 250 mL de solución de H2SO4 a diferentes concentraciones (0.1%, 2.5% o 4% v/v); a 300 rpm, también se manipuló la temperatura (60, 70 ó 80 °C) y tiempo (2, 3 ó 4 h) del pretratamiento. A la parte líquida de la mezcla pretratada se determinó la concentración de azucares reductores por el método DNS y a la sólida se observó la morfología con un microscopio electrónico de barrido. Se utilizó el diseño experimental de Box-Behnken y para optimizar el proceso el método de superficie de respuesta.
En el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado, los valores óptimos de concentración del H2SO4, tiempo y temperatura son 0.1 (v/v), 2 h y 64.64 °C, respectivamente, y a éstas condiciones se estimó que la concentración de azucares reductores es 11,48±0.99 g/L. A 0.1 (v/v), 2 h y 70 °C, se obtuvo una concentración de azucares reductores de 11,387 g/L
La concentración de H2SO4 e interacción tiempo de pretratamiento×temperatura de pretratamiento y tiempo de pretratamiento×concentración de H2SO4 influyen significativamente en la concentración de azucares reductores en el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado.
Palabras claves: pretratamiento ácido, azucares reductores, residuos de maíz morado.
INTRODUCCIÓN
La producción de etanol de segunda generación se basa en tres operaciones fundamentales: pretratamiento, hidrólisis enzimática y fermentación. El pretratamiento es necesario porque su objetivo es “mejorar la superficie, facilitar el acceso a las enzimas, modificar y solubilizar la lignina en caso de procesos biológicos, y también minimizar el costo total de operación” (G. K. Gupta & Mondal, 2019, p. 344), producto de ello se pueden alcanzar rendimientos de azúcar cercanos al 90% mediante hidrólisis enzimática. (Solarte- Toro et al., 2019, p. 590), sin pretratamiento sólo es el 20%. Entre los diferentes tipos de pretratamientos, el proceso que utiliza ácido presenta muchas ventajas y se utiliza H2SO4
porsu bajo costo y alta eficiencia en la remoción de lignina
A pesar de que existen muchos estudios de este proceso, existen dificultades respecto a las condiciones de operación, implementación a gran escala y costos asociados; si se considera la gran variedad de materias primas con diferentes características que se puede utilizar para obtener etanol, hay mucho que investigar.
Por otro lado, el desarrollo económico mundial y crecimiento acelerado de la población genera una mayor producción de residuos lo que se traduce en una severa contaminación ambiental. En Perú y específicamente en nuestra región este problema es más crítico porque no se tiene implementado un sistema de gestión de residuos sólidos.
Es de conocimiento, el alto grado de consumo del maíz morado en nuestra región, es muy popular la "chicha morada" y "mazamorra morada" preparadas con este maíz, por tanto la cantidad de desechos producidos de este cereal son abundantes. Para aprovechar estos residuos y maximizar la producción de azucares, en la tesis se determinó la influencia y los valores de la concentración del H2SO4, tiempo y temperatura en el pretratamiento acido de los residuos de maíz morado.
El informe contiene tres capítulos, en el que está desarrollado la revisión bibliográfica, parte experimental y tratamiento de datos y discusión de resultados. En la parte final se presenta las conclusiones, recomendaciones y anexos.
OBJETIVOS Objetivo General
• Determinar la influencia de la concentración del H2SO4, tiempo y temperatura en el pretratamiento acido de los residuos de maíz morado.
Objetivos Específicos
• Determinar la concentración del H2SO4 en el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado.
• Determinar el tiempo del pretratamiento ácido de residuos de maíz morado.
• Determinar la temperatura en el pretratamiento ácido de residuos de maíz morado.
SIMBOLOGÍA CS = Rastrojo de maíz
HMF = 5-hidroximetil-2-furaldehído
SSF = Sacarificación simultánea y fermentación MS = Materia seca
FW = Desperdicio de alimentos GEI = Gases de efecto invernadero HSW = Residuos sólidos domésticos ABE = Acetona, butanol y etanol
ONU = Organización de las Naciones Unida ODS = Objetivos de desarrollo sostenible LCB = Biomasa de lignocelulosa
IL = Líquido iónico
AIL = Líquidos iónicos ácidos
AFEX = Explosión de fibra de amoniaco LHW = Hidrotermal o de agua caliente líquida BP = Pretratamiento biológico
DDAP = Pretratamiento con ácido diluido seco SEM = Microscopia electrónica de barrido TEM = Microscopio electrónico de transmisión ESEM = Microscopio electrónico de barrido ambiental DLS = Dispersión dinámica de la luz
CSTR = Reactores de tanque agitado continuo
UASB = Manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente MFC = Pilas de combustible microbianas
ÍNDICE
ASESOR ii
DEDICATORIA iii
AGRADECIMIENTO iv
RESUMEN v
INTRODUCCIÓN vi
OBJETIVOS vii
SIMBOLOGÍA viii
ÍNDICE ix
Índice de Tablas xi
Índice de Figuras xiii
CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1 Antecedentes 1
1.2 Bases teóricas 7
1.2.1 Energía no renovables y renovables 7
1.2.2 Tecnologías de conversión de residuos orgánicos en energía 10
1.2.3 Biocombustibles y clasificación 15
1.2.4 Producción de bioetanol a partir de residuos alimenticios 23
1.2.5 Procesos de producción de etanol 24
1.2.6 Pretratamiento 27
1.2.7 Pretratamientos químicos 33
Proceso diluido. 37
Proceso concentrado. 38
1.2.8 Pretratamientos físicos 42
1.2.9 Pretratamientos biológicos 47
1.2.10 Cinética del pretratamiento 48
1.2.11 Desechos, residuos o desperdicios 50
1.2.12 Lignocelulosa o biomasa lignocelulósica 51
1.2.13 Maíz 61
1.2.14 Microscopia electrónica de barrido (SEM) 74
1.3 Marco conceptual 78
CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Materia prima 80
2.2. Materiales 80
2.3. Reactivos 81
2.4. Equipos e instrumentos 81
2.5. Procedimiento 81
2.5.1 Determinación de la concentración de azucares reductores por el método de
DNS 81
2.5.2 Pretratamiento ácido de los residuos de maíz morado 83
2.6. Diseño de investigación 83
CAPITULO III
TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1 Presentación y análisis de los datos 85
3.1.1 Aspectos descriptivos de las variables 85
3.1.2 Curva de estándar 86
3.1.3 Determinación de la concentración del H2SO4, tiempo y temperatura en el
pretratamiento ácido de residuos de maíz morado 87
3.1.4 Morfología de los residuos de maíz morado en el pretratamiento ácido con el
microscopio de barrido electrónico (SEM) 88
3.1.5 Optimización de la concentración de azucares reductores en el pretratamiento
ácido con H2SO4 de residuos de maíz morado 91
3.2 Proceso de la prueba de hipótesis 95
3.3 Discusión de resultados 97
CONCLUSIONES 102
RECOMENDACIONES 103
BIBLIOGRAFÍA 104
ANEXOS 109
Anexo A: Fotografías de las experimentaciones 110
Índice de Tablas
Tabla 1. Comparación entre las diversas generaciones de biocombustibles 17 Tabla 2. Procesos actuales y microbianos para la producción de biocombustibles 18 Tabla 3. Principales ventajas y desventajas de varios pretratamientos utilizados para la
producción de bioetanol 30
Tabla 4. Contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina de material lignocelulósico 54 Tabla 5. Composición lignocelulósica de diferentes residuos agrícolas de la literatura 55 Tabla 6. Análisis proximal de algunos residuos agrícolas 56
Tabla 7. Análisis final de algunos residuos agrícolas 57
Tabla 8. Composición del maíz 64
Tabla 9. Composición química del maíz morado INIA-615 Negro Canaán 66 Tabla 10. Composición química de maíz morado PMV-581, INIA-615 Negro Canaán, INIA-
601 Negro Cajamarca 67
Tabla 11. Área cosechada de maíz de Perú, América de Sur y el mundo (en millones de ha) 69 Tabla 12. Producción de maíz de Perú, América de Sur y el mundo (en millones de TM) 70 Tabla 13. Producción y rendimiento mundial de maíz de 2015 a 2017 (en millones de TM) 71 Tabla 14. Consumo doméstico, exportación e importación del maíz del Perú (en millones de
TM) 72
Tabla 15. Producción mundial de etanol combustible por país o región (en millones de
galones) 74
Tabla 16. Niveles de las variables 83
Tabla 17. Matriz de diseño 84
Tabla 18. Estadísticos descriptivos de la concentración de azucares reductores en función a
la concentración de H2SO4 85
Tabla 19. Estadísticos descriptivos de la concentración de azucares reductores en función al
tiempo de pretratamiento 85
Tabla 20. Estadísticos descriptivos de la concentración de azucares reductores en función a
la temperatura de pretratamiento 86
Tabla 21. Absorbancia en función a la concentración de H2SO4, tiempo y temperatura de
pretratamiento 87
Tabla 22. Concentración de azucares reductores en función a la concentración de H2SO4,
tiempo y temperatura de pretratamiento 88
Tabla 23. Análisis de varianza 96 Tabla 24. Condiciones del pretratamiento ácido del maíz determinadas por investigadores 98
Índice de Figuras
Figura 1. Consumo mundial de energía en 2013 8
Figura 2. Clasificación de materias primas de bioetanol 16
Figura 3. Procesos para la conversión industrial de biomasa lignocelulósica en bioetanol 25 Figura 4. Conversión de la biomasa de lignocelulosa a bioetanol 26
Figura 5. Métodos de pretratamiento 29
Figura 6. Efecto del pretratamiento sobre los componentes de la biomasa 33
Figura 7. Fraccionamiento de biomasa lignocelulósica 53
Figura 8. Micrografía electrónica de barrido del grano de fractura que muestra la sección
exterior del grano 63
Figura 9. Estructura de un grano de maíz-cariópside 64
Figura 10. Diagrama esquemático del funcionamiento del SEM 77
Figura 11. Curva de estándar 86
Figura 12. Imágenes del SEM de los residuos de maíz morado antes del pretratamiento ácido
con H2SO4 89
Figura 13. Imágenes del SEM de los residuos de maíz morado después del pretratamiento
ácido con H2SO4 90
Figura 14. Gráfica de contorno de la concentración de azucares reductores en función a la
concentración de H2SO4 y tiempo de pretratamiento 92
Figura 15. Gráfica de contorno de la concentración de azucares reductores en función a la
temperatura y tiempo de pretratamiento 92
Figura 16. Gráfica de contorno de la concentración de azucares reductores en función a la concentración de H2SO4 y temperatura de pretratamiento 93 Figura 17. Gráfica de superficie de la concentración de azucares reductores en función a la
concentración de H2SO4 y tiempo de pretratamiento 93
Figura 18. Gráfica de superficie de la concentración de azucares reductores en función a la
temperatura y tiempo de pretratamiento 94
Figura 19. Gráfica de superficie de la concentración de azucares reductores en función a la concentración de H2SO4 y temperatura de pretratamiento 94 Figura 20. Optimización de la concentración de azucares reductores en el pretratamiento
ácido con H2SO4 de residuos de maíz morado 95
Figura 21. Soluciones de H2SO4 para el pretratamiento de los residuos de maíz morado 110 Figura 22. Pesaje de la muestra de los residuos de maíz morado 110 Figura 23. Pretratamiento de los residuos de maíz morado 111
Figura 24. Filtrado de la mezcla de residuos de maíz morado pretradados 111 Figura 25. Ebullición de la muestra líquida para la determinación de azucares reductores por
el método DNS 112
Figura 26. Muestras preparadas para la lectura en el espectrofotómetro de UV 112 Figura 27. Muestras preparadas en la cubeta para lectura en el espectrofotómetro de UV 113 Figura 28. Residuos de maíz morado pretratado y seco para el SEM 113 Figura 29. Microscopio electrónico de barrido SEM 112
CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 Antecedentes
Yu et al. (2019) evaluaron siete posibles estrategias de integración de procesos para la producción de etanol a partir de maíz y rastrojo de maíz (CS) pretratado con ácido diluido como sustratos mixtos. En el pretratamiento con ácido diluido del rastrojo de maíz, añadieron 10% (p/p) de biomasa y 1% (p/p) de ácido sulfúrico en un reactor de 2 L y calentaron hasta 160 °C durante 10 minutos. Para la hidrólisis y fermentación, la suspensión de CS fue neutralizado (pH de 7.0), secado (60 ºC), almacenado a 4 ºC hasta su uso y manipularon proporciones de maíz a CS pretratado (20%:10%, 10%:20% y 5%:25%) con la finalidad de lograr una alta productividad de etanol (99.3 g/L en 6 h). En la investigación no presentan información detallada de los resultados del pretratamiento ácido.
Kumar et al. (2019) investigaron la producción de bioetanol a partir de residuos vegetales de sésamo (Sesamun indicum L.) mediante pretratamientos físicos, microbianos y químicos combinados, en cual evaluaron el tamaño de partículas (400, 850 y 1350 µm) de estos residuos y lo sometieron a degradación microbiana por Phanerochaete chrysosporium seguido de pretratamientos de H2SO4. Respecto al pretratamiento ácido diluido, remojaron los residuos con ácido sulfúrico diluido al 1% durante 60 minutos en un matraz cónico de 250 mL y a cada 15 minutos analizaron la celulosa, hemicelulosa y lignina en las muestras sólidas, y determinaron azúcares reductores por el método 3,5-dinitro-salicílico (DNS) en las muestras líquidas. Con el tamaño de 400 µm lograron la mayor concentración de azucares reductores (370.23 mg/L), mayor reducción de hemicelulosa y lignina, y que después de 45 minutos no hay reducción de hemicelulosa y lignina. Concluyeron que el pretratamiento ácido es más eficaz que el microbiano respecto a la producción de celulosa y azucares reductores, y que la producción de bioetanol a partir de estos residuos mediante pretratamientos físicos, microbianos y químicos combinados es novedosa.
Kuglarz et al. (2018) desarrollaron un proceso integrado de producción de biocombustible (bioetanol celulósico) y bioquímico (ácido succínico) a partir de paja de colza (canola) después de un pretratamiento con ácido diluido. Mezclaron la paja de colza (10%, 15%, 20% y 25% p/v) con una solución al 1% de H2SO4 y se trató en un reactor discontinuo a 180 °C durante 10 minutos. Después del pretratamiento, la suspensión fue filtrado en una bomba de vacío y obtuvieron una fracción sólida y líquida (licor de pretratamiento), el sólido lo utilizaron para la hidrólisis enzimática y la líquida en la producción de ácido succínico. Determinaron el rendimiento de HMF (5-hidroximetil-2-
furaldehído) para cuantificar la eficiencia del pretratamiento ácido, debido a que el furfural y HMF se liberan en el licor del pretratamiento. El contenido de glucano, principal componente de carbohidratos recuperado después del pretratamiento de la biomasa con una carga de entre el 10% y el 20%, aumentó significativamente entre 48% y 53% en comparación con su contenido inicial. A mayor carga de biomasa (25%) condujo a una disminución significativa del contenido de glucano residual en el material pretratado. La xilosa fue el principal monómero de hemicelulosa liberado en el licor de pretratamiento, siendo entre 44-50% de xilano que se solubilizó a una carga de biomasa entre 10-20%. La lignina constituyó el segundo componente principal de la biomasa después del pretratamiento, el cual aumentó en la fracción sólida en un 52-54% (pretratamiento al 10- 20% de carga de biomasa) y 40% (pretratamiento al 25% de carga de biomasa) en comparación con su contenido en biomasa no tratada. Concluyeron que la paja de colza se puede utilizar para la producción de bioetanol celulósico y ácido succínico en un enfoque de biorrefinería.
Yuan et al. (2018) desarrollaron una estrategia de reciclaje de enzímas de sólidos no hidrolizados mediante el estudio de la cinética de hidrólisis enzimática y de adsorción de enzimas en rastrojo de maíz (CS) pretratado con ácido y álcali diluido. En los experimentos utilizaron CS de tamaño de partícula de 4 mm, el pretratamiento con ácido diluido (con H2SO4 al 1%) fue en un reactor de presión de 2 L, una carga de sólidos de 10% (p/p), a 180
°C y con agitación constante (200 rpm) durante 10 minutos. El pretratamiento con álcali diluido (con NaOH al 2%) fue en un matraz de 1 L con 500 g de peso total, a 121 °C y durante 21 minutos. El pretratamiento con ácido diluido eliminó el xilano y aumento el contenido de glucano y lignina al 50.8% y 40.1%, respectivamente; con álcali diluido, el contenido de glucano, xilano y lignina fue 54.6%, 21.8% y 10.9%, respectivamente.
Concluyeron que las interconexiones presentes en la hemicelulosa son susceptibles al pretratamiento ácido y que el pretratamiento con álcali es eficaz en la eliminación de la lignina. Y de la investigación, redujeron el 40% y 50% de la carga enzimática en la hidrólisis de CS pretratado con álcali y ácido diluido después de 24 h, respectivamente, por lo tanto, el reciclaje de enzimas es satisfactorio.
Moodley & Gueguim Kana (2018) compararon tres pretratamientos optimizados (para minimizar la energía requerida y mejorar la recuperación de xilosa y glucosa) a base de ácido para la recuperación de azúcar a partir de residuos de hojas de caña de azúcar.
Utilizaron hojas de caña de azúcar de 8 meses que fueron secadas a 60 °C durante 72 h y trituradas en un molino para producir partículas de tamaño de 1 mm. Utilizaron el diseño de
Box-Behnken y las variables estudiadas fueron concentración de ácido (HCl, H2SO4 y HNO3), temperatura, proporción de sólido a líquido y tiempo de calentamiento en el rango de 0.5-5.0% (v/v), 60-100 °C, 30-50% (p/v) y 60-240 minutos, respectivamente. El residuo molido lo transfirieron a botellas Schott de 250 mL, añadieron 20 mL de las diferentes concentraciones de ácido, mezclaron y calentaron en un baño de agua, manipularon las variables según el diseño experimental. Filtraron los residuos pretratados y la fracción sólida se lavó tres veces con agua destilada para el examen químico y morfológico y la fracción líquida se analizó para determinar la concentración de glucosa y xilosa. Determinaron las condiciones óptimas para el HCl (4.90%, 84.14 minutos, 99 °C y 47.26% S:L), H2SO4
(4.84%, 210.54 minutos, 98 °C y 36.42% S:L) y HNO3 (3.35%, 239 minutos, 100 °C y 30%
S:L). La optimización del proceso proporcionó rendimientos de xilosa y glucosa de 78 y 11.48 g/L, 50.75 y 7.15 g/L, 30.82 y 3.99 g/L para pretratamientos de HCl, H2SO4 y HNO3, respectivamente. El tiempo de calentamiento con el HCl fue 2.5 veces menor en comparación con H2SO4 y HNO3. Los pretratamientos optimizados mostraron una alta eficiencia en la liberación de xilosa y glucosa. Además, los azúcares recuperados son excelentes sustratos para varios bioprocesos de fermentación y generación de biocombustibles.
Li et al. (2016) evaluaron el efecto de las diferentes partes del tallo, incluido el tallo, hoja, flor, mazorca y cáscara (chala) del maíz sobre la producción de etanol de segunda generación. Los bagazos obtenidos del pretratamiento fueron hidrolizados con celulasa y fueron utilizados como sustrato en la fermentación para obtener etanol. Separaron el tallo de maíz, clasificaron en flor, hoja, mazorca, cáscara y tallo, y finalmente lo molieron (malla 40); las cinco partes del tallo de maíz se pretrataron con H2SO4 al 2% (p/v), con cargas sólidas de 10% (p/v) a 121 °C durante 60 minutos y para investigar el efecto del pretratamiento utilizaron FTIR, XRD y SEM. Después del pretratamiento con ácido sulfúrico diluido, la proporción de recuperación de sólidos del tallo, flor, cáscara, hoja y mazorca fueron 51.0%, 57.4%, 39.9%, 47.6% y 49.5%, respectivamente. En comparación con otras partes del tallo de maíz, la mazorca tenía un mayor contenido de azúcar y una mejor digestibilidad enzimática. Lograron un rendimiento de glucosa más alto de 94.2% y producción de etanol de 24.0 g/L cuando utilizaron mazorca como materia prima, mientras que el rendimiento de glucosa y producción de etanol fueron solo 86.0% y 17.1 g/L en el caso de la flor.
Tai & Keshwani (2014) investigaron el efecto del pretratamiento de rastrojo de maíz con ácido sulfúrico diluido a temperatura moderada en la hidrólisis con dos sistemas
enzimáticos, para el cual el residuo lo secaron y tamizaron con un tamiz de 2.36 mm. El pretratamiento fue con ácido sulfúrico al 0.5, 1 y 2% (p/v) en matraces sellados a 105, 120 y 135 °C durante 60, 120 y 180 minutos y la proporción de sólido a líquido fue 1:10. El pretratamiento con ácido sulfúrico al 2%, 105 °C y 60 minutos logró una cantidad significativa de eliminación de xilano del 57.03%. Eliminaron hasta el 99.4% del xilano con ácido sulfúrico al 2% a 135 °C durante 180 minutos, lo que convierte al glucano en la mayor parte (55,03%) en el rastrojo de maíz pretratado. La mayor pérdida de peso fue con el pretratamiento ácido al 1% a 135 °C durante 120 minutos. Del método de superficie de respuesta y costo y ahorro de energía, las condiciones óptimas de pretratamiento son 1.75%
de ácido a 135 °C durante 160 minutos, y la conversión de glucano puede alcanzar entre 72.86 y 76.69%, lo que representa una recuperación de glucano total entre 89.42 y 93.25%.
También indicaron que la eliminación de glucanos a temperatura moderada fue generalmente más alta que a alta temperatura y que la pérdida de peso se incrementa con la extensión del tiempo de pretratamiento y aumento de la temperatura.
He et al. (2014) investigaron el pretratamiento de ácido diluido seco (carga de sólidos extremadamente alta) de rastrojo de maíz con agitación helicoidal para mejorar la bioconversión a etanol a través de la sacarificación simultánea y fermentación (SSF). El residuo fue lavado, secado (105 °C) hasta una alcanzar una humedad de 7% (p/p), molido y tamizado con una malla de 10 mm. El reactor utilizado en el pretratamiento es cilíndrico de 20 L de capacidad, al cual se implementó un agitador de cinta helicoidal e inyectó vapor por la parte inferior (flujo de 0.1 a 1.0 kg/minuto). El rastrojo de maíz seco fue remojado con la solución de ácido sulfúrico en una relación de 2:1 en peso, mezclado, guardado en bolsas de plástico, expuesto a temperatura ambiente durante 12 h y en cada prueba utilizaron 2.1 kg del rastrojo remojado. Las variables investigadas en el pretratamiento son: temperatura (165, 175 y 185 °C), concentración de ácido diluido (1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5% y 4.0%), tiempo (1, 3, 5 y 10 minutos) y velocidad de agitación (10, 30 y 50 rpm). La mayor conversión de celulosa fue 87.11 a 185 °C, 2.5% y 3 minutos; mientras que la mayor recuperación de glucano y xilano fue 100% y 94.24%, respectivamente, a 165 °C, 2.5% y 3 minutos. Concluyeron que el pretratamiento con ácido diluido seco con agitación helicoidal mejoró significativamente la eficacia del pretratamiento.
Van Eylen et al. (2011) estudiaron la sacarificación y co-fermentación con enzimas después del pretratamiento con ácido diluido de materias primas de maíz (fibras, mazorcas y rastrojo) para la producción sostenible de bioetanol de segunda generación. Utilizaron fibra de maíz (87% de materia seca, MS), mazorcas de maíz (95% MS) y rastrojo de maíz (90%
MS) las que fueron molidas y tamizadas a un tamaño de 1 mm. En el pretratamiento térmico utilizaron H2SO4 concentrado con dosis de 0 a 2 g por 100 g de materia seca (0-2%) y un reactor de alta presión de 1 L con suministro de vapor a 20 bar y agitación a 300 rpm. Las mejores condiciones en el pretratamiento de fibra de maíz (10% MS), mazorcas (10% MS) y rastrojo (7.5% MS) fueron 2%, 10 minutos y 160 °C; 2%, 10 minutos y 160 °C; y 2%, 10 minutos y 180 °C, respectivamente, en las que la xilosa residual fue 8%, 10% y 28%, respectivamente. Concluyeron que la mazorca fue la materia prima más interesante por al alto contenido de azúcar y al pretratamiento relativamente suave necesario para producir un 7,2% (v/v) de etanol. El rastrojo requirió más ácido y temperaturas de tratamiento más altas.
Para obtener un alto rendimiento de etanol a partir de la fibra, se necesitan algunas enzimas degradantes de xilano adicionales además de las enzimas utilizadas.
Noureddini & Byun (2010) investigaron el pretratamiento con ácido sulfúrico diluido de granos de destiladores y fibras de maíz. Molieron la biomasa en un molinillo y tamizaron a 0,5 mm, antes de su uso, trituraron la biomasa y secaron en un horno de convección a 65
°C. Luego cargaron al reactor una cantidad de biomasa seca, molida y 170 mL de agua desionizada. Iniciaron el procedimiento agitando el sustrato a una velocidad constante de 500 rpm, mientras calentaban a la temperatura deseada, bombearon 30 mL de solución de ácido sulfúrico al reactor. El momento de la reacción comenzó inmediatamente después de la carga completa de la solución acida en el reactor. Llevaron a cabo las reacciones de pretratamiento variando las condiciones de temperatura (120 y 140 °C), carga de biomasa (5, 10, 15 y 20 % p/v.) y concentración de ácido sulfúrico (1.5, 1.0 y 1.5 % v/v). Observaron para ambos sustratos, el mayor rendimiento de azucares monomericos cuando pretrataron la menor cantidad de carga de biomasa (5% en peso) con la mayor concentración de ácido sulfúrico (1,5 % en volumen) y la temperatura de 140 °C.
M. Chen et al. (2009) compararon cuatro pretratamientos químicos (ácido diluido, álcali con cal, solución de amoníaco seguido de hidrólisis ácida diluida e hidróxido de sodio) de rastrojo de maíz para mejorar la digestibilidad enzimática. El rastrojo fue secado y almacenado a temperatura ambiente, previo al pretratamiento, fue triturado y tamizado para obtener un tamaño de partícula menor a 2 mm. En los experimentos utilizaron 20 g del residuo y las condiciones fueron: 200 mL de H2SO4 al 1.5% y 106-108 °C durante 6 h, 0.4 g de hidróxido de calcio por g de muestra seca a 120 °C durante 4 h en condición no oxidativa, 200 mL de NH4OH al 10% a 26 ºC durante 24 h y 160 mL de una solución de NaOH al 2% y 120ºC durante 30 minutos. La recuperación de la fracción de celulosa fue superior al 92%, pero la eliminación de hemicelulosa y lignina fue muy diferente. El
pretratamiento con ácido sulfúrico diluido hidrolizó eficazmente el 76.6% de la hemicelulosa en azúcares solubles, pero eliminó solo el 12.2% de la lignina de la materia prima. En comparación con el pretratamiento con ácido, el pretratamiento con cal, solución de amoniaco e hidróxido de sodio eliminó más fracción de lignina de la materia prima debido a la solubilidad de la lignina en solución alcalina. El pretratamiento con hidróxido de sodio mostró la mayor eliminación de lignina del 73.9% y mejoró la accesibilidad y digestibilidad de la celulosa, por lo que el hidrolizado enzimático del rastrojo de maíz pretratado con NaOH contenía un mayor contenido de azúcares fermentables y menos inhibidores, lo que es adecuado para el proceso de fermentación posterior para producir etanol.
Schell et al. (2003) investigaron el pretratamiento de maíz con ácido sulfúrico diluido. Realizaron 41 experimentos a las siguientes condiciones: temperaturas de 165-183
°C, tiempos de residencia de 3-12 minutos y concentraciones de ácido 0.5%-1.41% (p/p), las cinco últimas corridas se llevaron a cabo en condiciones fuera de los valores establecidos.
Obtuvieron resultados que indican rendimientos monoméricos de xilosa del 69%-71%, rendimientos totales de xilosa (monómeros y oligómeros) de 70%-77% y rendimientos de conversión de celulosa del 80-87%. A condiciones de tiempo de residencia corto entre 45- 75 s y temperaturas más altas (190-195 °C) que las utilizadas en los otros experimentos obtuvieron resultados de conversión de celulosa y xilano similares a los logrados en los pretratamientos a temperaturas más bajas. Sin embargo, lograron un rendimiento de xilosa total particularmente alto de 77% a 191 °C y 1,17% (p/p) de ácido.
Saha & Bothast (1999) realizaron pretratamientos con H2SO4, agua caliente y álcali, así la sacarificación enzimática para la conversión de almidón, celulosa y hemicelulosa de la fibra de maíz en azúcares monoméricos. La fibra de maíz húmeda lo secaron en un horno de aire forzado a 55 °C durante 24 horas, molieron y almacenaron a temperatura ambiente.
Los pretratamientos ácidos de la fibra de maíz lo realizaron con ácido diluido (0.5-1.0%
H2SO4, v/v) y pretrataron en una autoclave a una temperatura relativamente baja (121°C) para minimizar la formación de compuestos inhibidores. Trataron la fibra de maíz con ácido diluido a tres niveles de H2SO4 (0.5%, 0.75% y 1.0%, v/v) donde descubrieron que la formación de glucosa dependía del tiempo de pretratamiento y concentración de ácido. La fibra de maíz que trataron con 0,5% de H2SO4 a 121°C durante 1 hora tuvo un efecto significativo no solo en el rendimiento de glucosa sino también en los rendimientos de azucares monoméricos. Obtuvieron resultados que indican que la hemicelulosa de la fibra de maíz, aunque es muy resistente puede convertirse fácilmente en azúcares (xilosa, L
arabinosa y galactosa) y el almidón en glucosa mediante el pretratamiento con ácido diluido a temperaturas relativamente bajas.
1.2 Bases teóricas
1.2.1 Energía no renovables y renovables
Respecto a la situación de la energías no renovables y renovables, diversos investigadores exponen los cambios que se producen por el incremento de la demanda de energía y agotamiento de las energías no renovables.
Los combustibles fósiles son la principal fuente de energía en todo el mundo. Los combustibles fósiles son recursos no renovables principalmente responsables del aumento del nivel de dióxido de carbono (CO2) en el medio ambiente y los cambios climáticos asociados (Barreto, 2015; Saravanan et al., 2018). La disminución de las reservas de petróleo y sus impactos negativos en el medio ambiente han despertado el interés en explorar recursos alternativos para la energía (Bhatia et al., 2012;
Mussatto, 2016). (Toor et al., 2019, p. 4)
El consumo de energía, que aumenta gradualmente, debe cubrirse con fuentes de energía ecológicas y menos costosas. Por lo tanto, hoy en día el medio ambiente y la economía son motivo de gran preocupación. La energía que se puede obtener dentro del universo se divide en dos tipos: renovable y no renovable. Las fuentes renovables son las fuentes no contaminadas que se encuentran de forma natural; 16% de la demanda mundial de energía se satisface a partir de fuentes de energía renovables (Obama, 2017). El carbón, petróleo sin refinar y combustibles fósiles son las fuentes de energía no renovables más utilizadas y satisfacen más del 80% de la demanda de energía en todo el mundo (Agarwal, 2007). Una gran parte de los combustibles utilizados son petróleo, a base de carbón y se producen a partir de restos naturales de animales y plantas muertos que contienen una rica porción de carbono e hidrocarburos.
Como resultado del aumento de la demanda y utilización, la cantidad de fuentes de energía no renovables está disminuyendo. Esta energía es básicamente consumida por el sector automotriz, industria y generación de energía que son el principal motivo de la contaminación del medio ambiente. En consecuencia, el mundo está abandonando las fuentes no renovables y cambiando hacia fuentes de energía que sean efectivamente accesibles, biodegradables, más baratas y que tengan el menor efecto sobre la naturaleza (Lund, 2007). (Tahir et al., 2019, p. 459)
Según la Asociación Mundial de Bioenergía sobre estadísticas de bioenergía (2016), el consumo global de energía indicó que aproximadamente el 21% del consumo de energía se deriva del gas natural, 21% del carbón, 38% del petróleo, 2% de la energía nuclear y 18% de energías renovables, que incluye energía solar, hidroeléctrica y bioenergía. Aproximadamente el 13% de la energía renovable se obtiene a partir de biomateriales carbonosos, ya sea por varias rutas de conversión termoquímica o por combustión directa para proporcionar calor y energía. (Hu et al., 2020, p. 447) Figura 1
Consumo mundial de energía en 2013
Fuente: (Hu et al., 2020, p. 447)
Se encuentran disponibles varios recursos alternativos como la energía solar, geotérmica, hidráulica y eólica. Entre los recursos, la energía solar o los combustibles solares, una tecnología de rápido crecimiento, considerada como la tecnología prospectiva para evitar problemas energéticos y ambientales (Reshma et al., 2017).
Además de las fuentes de energía renovable mencionadas anteriormente, los biocombustibles se perciben como un tipo discreto de energía renovable alternativa y viable debido a sus características no tóxicas, biodegradables y neutrales en carbono (Koley et al., 2018; Mathimani y Mallick, 2019). Existen diferentes tipos de biocombustibles en el mercado y en desarrollo, por ejemplo, biogás, biodiesel, biohidrógeno y biobutanol (Lee, 2016; Saravanan et al., 2018). Sin embargo, el predominante es sin duda el etanol (Naik et al., 2010; Ibrahim et al., 2018). (Toor et al., 2019, p. 4)
a) Energía de biomasa.
Las preocupaciones sobre el agotamiento de los combustibles fósiles y creciente tasa de consumo e industrialización de energía han animado a los investigadores a encontrar fuentes de energía alternativas (Hanif et al., 2019; Irina et al., 2019).
Debido a un suministro confiable de los combustibles necesarios para el transporte y contaminación ambiental, el combustible a base de celulosa es una respuesta a los problemas actuales (Siti et al., 2019). Además, los residuos agrícolas generados, a través o después del procesamiento de cultivos agrícolas, son un tipo de recurso de biomasa renovable y rico en lignocelulosa (Izah & Ohimain, 2015). Cabe señalar que los desechos agrícolas no necesitan tierra, agua ni energía y no están directamente asociados con la seguridad alimentaria para su conversión en energía (Sarkar et al., 2012). (Rezania et al., 2020, p. 1)
La biomasa es una fuente de energía renovable clave porque potencialmente puede ofrecer menores impactos ambientales en términos de emisiones de CO2 en comparación con los combustibles fósiles (Hendricks et al., 2016). (Haji Esmaeili et al., 2020, p. 2)
Desde el comienzo de la civilización, la biomasa ha sido considerada como la principal fuente de energía en todo el mundo. Según Svetlana et al., casi el 50% de la población mundial satisface su demanda de fuentes de energía primaria a partir de biomasa (Ladanai & Vinterbäck, 2009.). La demanda mundial de energía basada en biomasa aumenta continuamente y se ha duplicado en las últimas cuatro décadas. Las biomasas disponibles para la producción de energía incluyen cultivos agrícolas y forestales, desechos y residuos agrícolas y forestales, y materiales de desecho del procesamiento de alimentos, pesca y otras industrias, así como los hogares. La energía producida a partir de biomasa se puede convertir fácilmente en todas las demás formas de energía que se requieren actualmente en la sociedad moderna.
Además de la disponibilidad de las fuentes, en comparación con la energía renovable, la biomasa es el más común y extendido de todos los demás recursos renovables globales. La biomasa se ha convertido en el cuarto recurso energético más grande después de los combustibles fósiles como el gas natural, petróleo y carbón, y se estima en aproximadamente el 10% de los recursos energéticos primarios mundiales (Singh, 2015).
Por tanto, se espera que la biomasa sea una fuente potencial de energía renovable, tanto para la producción a pequeña como a gran escala en todo el mundo. Pero la
posibilidad futura de energía basada en biomasa depende en gran medida de la disponibilidad de tierra cultivable. Actualmente, la cantidad de tierra utilizada para cultivar cultivos energéticos y materias primas para biocombustibles es solo el 0.19%
de la superficie terrestre total del mundo de 13200 millones de hectáreas. Por otro lado, sólo el 0.5%-1.7% de la tierra agrícola mundial se utiliza para el cultivo de materias primas para la producción de biocombustibles (Faaij, 2008). Para satisfacer las demandas futuras de producción de biocombustibles, se deben considerar áreas mucho más grandes para el cultivo de más cultivos energéticos. La Asociación Mundial de Biomasa estima que para 2035, aproximadamente el 5% de la tierra agrícola mundial (240 Mha) se podrá utilizar para cultivar cultivos energéticos dedicados a la producción de biocombustibles (World Bioenergy Association, 2016).
Además, es necesario aumentar la productividad agrícola para reducir el uso de tierras forestales adicionales mediante el empleo de tecnologías nuevas y avanzadas.
Además, será necesario plantar nuevos cultivos energéticos que aún no se cultiven.
Se debe prestar especial atención para garantizar la producción sostenible de nuevos cultivos energéticos, ya que la producción descontrolada de biomasa puede crear efectos perjudiciales sobre la biodiversidad, el suelo y el agua, etc. (Alam & Tanveer, 2020, pp. 55–56)
En general, los combustibles a base de biomasa pueden presentarse en forma sólida, líquida o gaseosa. Los combustibles sólidos se refieren a los biocombustibles primarios (madera, carbón vegetal, carbón, turba y pellets) que se utilizan como materia prima para generar energía a través de la combustión. Los combustibles líquidos y gaseosos se incluyen en los biocombustibles secundarios y se pueden utilizar como combustibles para el transporte. (Hu et al., 2020, p. 447)
1.2.2 Tecnologías de conversión de residuos orgánicos en energía
Casi 1300 millones de toneladas de productos alimenticios al año se pierden a lo largo de la cadena de suministro de alimentos y se espera que esta tendencia continúe en los próximos años según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO). El desperdicio de alimentos (FW) se produce en cualquier paso de la cadena de suministro, desde el sitio de producción agrícola hasta la planta de procesamiento y la fase de consumo. Reducir, reutilizar y reciclar, también conocido como el concepto de las 3R, se considera la mejor práctica en la que debe basarse la gestión de los residuos alimentarios (Nayak & Bhushan, 2019).
Sin embargo, la eliminación en vertederos sigue siendo una de las opciones más populares en todo el mundo. La composición de los residuos alimentarios depende de su origen de producción y, por tanto, pueden comprender una mezcla de carbohidratos (almidón, celulosa, hemicelulosa), lípidos y proteínas. Según Girotto et al., (2015), los FW pueden convertirse en biocombustibles o energía mediante los siguientes procesos: (a) transesterificación de aceites y grasas para la producción de biodiesel, (b) fermentación de carbohidratos para la producción de bioetanol o biobutanol, (c) digestión anaeróbica para la producción de biogás (gas rico en metano), (d) fermentación oscura para producir hidrógeno, (e) pirólisis y gasificación, (f) carbonización hidrotermal y (g) incineración. climática (Konti et al., 2020, p. 1).
Las tecnológicas principales de conversión de residuos orgánicos en energía son los procesos termoquímicos y bioquímicos. Las tecnologías termoquímicas incluyen combustión o incineración, gasificación y pirólisis. Las tecnologías bioquímicas comprenden la digestión anaeróbica, fermentación, captura de gas de vertedero y tecnologías de pila de combustible microbiana.
a) Tecnologías termoquímicas.
Las tecnologías termoquímicas existentes utilizan el calor para promover las transformaciones químicas de la biomasa en energía y productos químicos. Por un lado, estas tecnologías siguen procesos similares para crear tres productos principales: sólidos (carbón y/o cenizas), líquidos (bioaceite o alquitrán) y gas (gas de síntesis o gas de producción). Por otro lado, cada proceso utiliza diferentes condiciones de reacción como temperatura, presión, velocidad de calentamiento, tiempo de residencia, atmósfera reactiva o inerte, velocidad de flujo del gas de purga, etc. (World Energy Council, 2016) (…).
La decisión de seleccionar cualquiera de estas tecnologías está relacionada con:
• El tipo de residuos o materiales lignocelulósicos que se están tratando;
• Qué energía se está desarrollando; y
• El interés local. (Silva-Martínez et al., 2020, pp. 511) Combustión o incineración.
La gestión de residuos convencional se basa en gran medida en los vertederos e incineración, los cuales adolecen de una variedad de problemas. Por ejemplo, se pueden formar gases nocivos (compuestos orgánicos distintos del metano, mercurio, tritio) y productos químicos (benceno, tolueno, cloruro de vinilo, tetracloruro de
carbono, dioxinas y furanos) durante el proceso de degradación de los desechos depositados en vertederos, que representan un problema para los sistemas ambientales y ecológicos circundantes (por ejemplo, contaminación del suelo y el agua). El principal producto de gas, el metano, es un gas de efecto invernadero (GEI), con un potencial de calentamiento global de alrededor de 28 veces mayor que el dióxido de carbono en una escala de tiempo de 100 años (Cubasch et al., 2014) La incineración de desechos adolece de problemas como las emisiones de NOx y dioxinas, los elevados índices de flujo de los gases de escape, la obligación de eliminar las cenizas residuales, etc. (Safa & Soucy, 2014). Las prácticas de gestión de residuos respetuosas con el medio ambiente son muy solicitadas. (Y. Li et al., 2020, pp. 579–580)
Las tecnologías de combustión o incineración, se han implementado (…) como una alternativa para el tratamiento de desechos o residuos (…), la biomasa de residuos agrícolas y forestales se utiliza para producir electricidad mediante técnicas de combustión.
La incineración también se puede utilizar como una alternativa de recuperación de energía para reducir los impactos de los desechos sólidos domésticos (RSA), que generalmente se depositan en vertederos sin ningún tratamiento previo (por ejemplo, clasificación, reciclaje, etc.) (…).
Pero diversos estudios sugieren que la incineración no debería ser una solución para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos. Es importante mencionar que los costos (costos iniciales y de operación) de las plantas de incineración de residuos sólidos domésticos como una tecnología apropiada de gestión de desechos sólidos (De Souza et al., 2014) siguen siendo demasiado altos en la mayoría de los países.
Para promover mejores y más rápidos procesos de combustión, existen y se han aplicado en la región diversas técnicas de densificación como el peletizado, briquetado y torrefacción, que son útiles para lograr propiedades adecuadas y un mayor poder calorífico de los materiales originales. Estas tecnologías de pretratamiento también brindan ventajas como el aumento de la densidad aparente, reducción de los costos de transporte y almacenamiento, lo que a su vez facilita el manejo del material (Scatolino et al., 2017). (Silva-Martínez et al., 2020, pp. 511–
513)
Gasificación.
Es la conversión termoquímica de un material orgánico (por ejemplo, biomasa) en un producto gaseoso valioso, llamado gas de síntesis, y un producto sólido, llamado char (Molino, Chianese & Musmarra, 2015). Se han desarrollado diferentes tipos de configuraciones de gasificadores: gasificadores de corriente descendente, que son los más ofrecidos comercialmente, seguidos de lechos fluidizados, de corriente ascendente y otros tipos de gasificadores (Bridgwater, 2018). (Silva-Martínez et al., 2020, p. 513)
Pirólisis.
Es un proceso termoquímico eficaz y eficiente en el que los componentes químicos de la biomasa se degradan térmicamente y se transforman en bioaceite y un gas inerte. Es la etapa previa a la combustión y gasificación (Romero, 2017) y comprende la descomposición térmica del material en ausencia de oxígeno. El principal beneficio de la pirólisis en comparación con otras tecnologías es que este bioaceite puede luego transformarse en combustibles para el sector del transporte (diésel y gasolina) o como materia prima para las industrias químicas (Bonassa et al., 2018).
(Silva-Martínez et al., 2020, p. 514) b) Bioquímico.
Las tecnologías de tratamiento de residuos orgánicos bioquímicos se basan en la descomposición de materia orgánica bajo acción microbiana para producir biogás y digestato (biofertilizantes). Las tecnologías de conversión utilizan procesos microbianos para transformar desechos degradables como alimentos, bosques y residuos agrícolas (World Energy Council, 2016) en biogás en condiciones anaeróbicas. En los últimos años, estas tecnologías se han desarrollado e implementado en la región en diversos grados. (Silva-Martínez et al., 2020, p. 514) Digestión anaeróbica.
La digestión anaeróbica de residuos orgánicos se ha centrado principalmente en los digestores de pequeña escala, que se utilizan normalmente para producir biogás con fines de calefacción y cocción (Garfí, Martí, Garwood & Ferrer, 2016). Las principales razones son el bajo costo de inversión y bajo mantenimiento que requieren estas tecnologías, lo que a su vez ha dado como resultado múltiples diseños de biodigestores exitosos y adopción de tecnologías a pequeña escala (Martí, et al., 2016).
La mayoría de los digestores a pequeña escala se basan principalmente en residuos agrícolas. Por lo tanto, este estudio asume como un digestor de pequeña escala, plantas de biogás con capacidad instalada menor o igual a 100 kW mientras que los digestores de gran escala están por encima de este umbral.
A diferencia de los digestores de pequeña escala, los digestores anaeróbicos de gran escala no se han implementado ampliamente (…) debido principalmente a sus altos costos de inversión, complejidad técnica, alto mantenimiento, entre otras razones (Martí, et al., 2016). Sin embargo, países como Argentina, Brasil, Chile y México han implementado varios digestores a gran escala basados en Reactores de Tanque Agitado Continuo (CSTR), Manto de Lodo Anaeróbico de Flujo Ascendente (UASB) y lagunas de cobertura. (Silva-Martínez et al., 2020, p. 514)
Fermentación.
Es el proceso mediante el cual la materia orgánica se convierte en alcohol, gas o ácidos (bioetanol, ácido láctico, etc.), en ausencia de oxígeno y basándose en cultivos selectivos de microorganismos anaeróbicos. Las industrias de fermentación que producen biocombustibles (bioetanol) han mostrado recientemente un crecimiento continuo en varios países del continente americano (Meneses et al., 2016) (…).
Por el contrario, incluso cuando la producción de biocombustibles de primera generación representa una alternativa viable y conveniente para la sustitución de combustibles fósiles en la región, existen preocupaciones recientes relacionadas con su viabilidad económica, social y ambiental como fuentes de energía (Moncada, Tamayo & Cardona, 2014; Iriarte, Rieradevall & Gabarrell, 2012). La preocupación más importante es el hecho de que la producción de biocombustibles compromete la seguridad alimentaria al utilizar tierras cultivables y fértiles. Por lo tanto, la utilización eficiente de residuos agrícolas como materia prima para biocombustibles de segunda generación (2G) es cada vez más importante no solo para minimizar los impactos socio ambientales sino también para aumentar la rentabilidad económica (Limayem & Ricke, 2012; Zacharof, 2017). (Silva-Martínez et al., 2020, p. 517) Vertedero con captación de gas.
La mayor parte de los residuos sólidos se destina a rellenos sanitarios y botaderos.
Más precisamente, el 83% del total de residuos producidos en la región en 2011 (Unsd, 2011) fueron recolectados y eliminados. El vertido es la práctica común de eliminación en la región debido a su técnica de gestión de bajo costo. Además, es un método de eliminación bien establecido y presenta pautas de construcción bastante
estructuradas que son más fáciles de aplicar por los municipios, en comparación con otras alternativas de gestión (Renou, 2008). Sin embargo, muchos de ellos están mal ubicados y mal gestionados (UNEP, 2018). (Silva-Martínez et al., 2020, p. 518) Pila de combustible microbiana.
El desarrollo de proyectos de pilas de combustible microbianas (MFC) se encuentra a nivel de investigación (…), Rachinski et al. (2010) describen el MFC como una tecnología favorable para la producción de electricidad y fertilizantes basada en desechos sólidos de origen animal y vegetal y como una alternativa para la remediación de desechos. (Silva-Martínez et al., 2020, p. 518)
1.2.3 Biocombustibles y clasificación
La creciente demanda de energía, la alta dependencia de fuentes de combustible no renovables en el sector del transporte y preocupaciones ambientales sobre el consumo de combustibles fósiles han motivado a los investigadores a encontrar fuentes alternativas de energía renovable. Los biocombustibles, como el bioetanol, utilizan materias primas de biomasa renovable que han mostrado un gran potencial como alternativas a los combustibles fósiles. (Haji Esmaeili et al., 2020, pp. 1–2) Los biocombustibles son uno de los productos microbianos más conocidos. Ante la creciente preocupación por la sostenibilidad medioambiental de los combustibles líquidos para el transporte, producción de bioetanol y biodiésel se multiplicó por 7,2 entre 2000 y 2015 (U.S. Energy Information Administration, 2019). Los biocombustibles se pueden utilizar en varias aplicaciones, para el transporte o la generación de energía in situ para la industria. En 2017, más del 92% de los combustibles para el transporte en los Estados Unidos se obtuvieron del petróleo, solo 3% del gas natural y 5% de las energías renovables (U.S. Energy Information Administration, 2018). Los combustibles a base de petróleo en todo el mundo se pueden dividir en diésel, gasolina y combustible para aviones, que son todos combustibles a base de hidrocarburos de diferentes longitudes de cadena. Se ha descubierto que la mayoría de los biocombustibles dan como resultado una reducción del ciclo de vida de las emisiones de entre un 30% y 85% en comparación con sus alternativas de combustibles fósiles (Dunn, 2019; Scharlemann & Laurance, 2008).
Gran parte del enfoque de los biocombustibles se ha centrado en la producción de combustibles directos que son compuestos compatibles con los motores de combustión actuales, como etanol o biodiésel, y que pueden mezclarse directamente con gasolina o diésel, por ejemplo. Sin embargo, existe un interés significativo en
alternativas como el biogás o biohidrógeno que se pueden quemar o utilizar en pilas de combustible para generar electricidad para propulsar vehículos eléctricos. Es probable que exista una necesidad sostenida a largo plazo de combustibles líquidos para el transporte, como bioetanol y biodiésel, para aplicaciones específicas, como el frío extremo en las regiones árticas o la industria de la aviación, donde se necesitan mejoras significativas en la tecnología de baterías antes de que puedan respaldar un vuelo de pasajeros pesado. (Ward, 2020, p. 153)
Figura 2
Clasificación de materias primas de bioetanol
Fuente: (Halder et al., 2019, p. 215)
La biomasa se puede convertir en biocombustible a través de tres procesos principales: bioquímica, termoquímica y fisicoquímica. La digestión anaeróbica (para producir biogás y biometano) y la fermentación (para producir etanol) se consideran procesos de conversión bioquímica. La pirólisis, gasificación, combustión y procesamiento hidrotermal se clasifican como procesos de conversión termoquímica. La extracción y esterificación se tratan como conversión fisicoquímica (Kemnitz, 2006). A diferencia de los combustibles fósiles, los biocombustibles también pueden servir en varias formas diferentes y cumplir con todo tipo de requisitos de los consumidores.
Dependiendo del tipo de materia prima utilizada en la producción de biocombustibles, los biocombustibles se pueden subdividir en tres categorías. (Alam
& Tanveer, 2020, p. 57).
Complementariamente Ward (2020) incrementa una categoría o generación, los cuales son:
Tabla 1
Comparación entre las diversas generaciones de biocombustibles
Generación Beneficios Limitaciones
Primera Reducir los gases de efecto invernadero (GEI).
Conversión fácil y económica.
Producción ineficiente.
Competencia entre comida y combustible.
Segunda Reducir GEI.
Alimentación de desechos alimentarios como materia prima.
Eliminación de la competencia entre comida y combustible.
Independiente de la tierra cultivable para el cultivo de la materia prima.
Procesos costosos para la purificación de la materia prima lignocelulósica.
Exige una tecnología de alto nivel muy complicada y de vanguardia para el desarrollo.
Tercera Biocombustible a base de algas de fácil cultivo.
Tasa significativamente avanzada de crecimiento de algas.
Eliminación de la competencia entre alimentos y combustible.
Una amplia variedad de medios de crecimiento, como aguas residuales y agua de mar.
Proceso energéticamente deficiente (mezcla, filtración, centrifugación, etc.).
Bajo rendimiento en extracción de lípidos.
Contaminación de biomasa en estanques abiertos.
Cuarta Introducción de la biología sintética para intensificar la extracción de lípidos de las algas.
Mejore el secuestro de CO2 a través de las algas diseñadas.
Productividad superior.
Sistema de estanque.
Alto costo del fotobiorreactor.
La inversión inicial es alta.
La investigación se encuentra en su etapa primaria.
Fuente: (Dutta et al., 2014) (Moravvej et al., 2019, p. 561)
Por otra parte, “los biocombustibles producidos a partir de microbios se pueden dividir en cuatro categorías generales según su estructura química y etapa tecnológica: alcoholes, combustibles a base de lípidos, gases y biocombustibles emergentes” (Ward, 2020, p. 153). En la siguiente tabla se presenta una comparación de las ventajas y los desafíos de cada campo.
Tabla 2
Procesos actuales y microbianos para la producción de biocombustibles Combustible Proceso actual Procesos microbianos Alcoholes
Etanol Fermentación Fermentación de levadura,
fermentación ABE por Clostridium sp.
Butanol Síntesis química de propeno Fermentación ABE A base de lípidos
Biodiésel Transesterificación de aceites vegetales (palma, aceite de soja)
Acumulación de lípidos por levaduras oleaginosas o microalgas
Biocombustibles gaseosos
Metano/biogás Gas natural Metanogénesis, cultivos microbianos mixtos
Hidrógeno Reformado de vapor de gas natural
Microalgas, cianobacterias, metanogénesis, fermentación ABE, pilas de combustible microbianas
Bioenergéticos emergentes/alternativos
Terpenos Extracción de fuentes naturales
Microalgas, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae
Alcanos Crackeo Cianobacterias
ABE, acetona, butanol y etanol.
Fuente: (Ward, 2020, p. 154)
a) Biocombustibles de primera generación.
Los biocombustibles de primera generación están directamente relacionados con la biomasa producida a partir de aceites comestibles como la colza, soja, girasol, cártamo, aceite de palma, coco y maní (Bhuiya, Rasul, Khan, Ashwath & Azad, 2016; Lee & Lavoie, 2013). Si estas materias primas se utilizan a gran escala, tendría un gran impacto en el suministro mundial de alimentos y, por lo tanto, no se consideran sostenibles o ecológicas. Los biocombustibles de primera generación representan la mayoría de los biocombustibles actualmente en uso. (Alam & Tanveer, 2020, p. 57)
La primera generación utilizó nuestro conocimiento profundo de la fermentación del etanol por levadura para convertir los azúcares del almidón o sacarosa en bioetanol o utilizó aceite comestible refinado de cultivos como la soja o aceite de palma para producir biodiésel. Desafortunadamente, el uso de cultivos alimentarios provocó aumentos en los precios de los alimentos debido a la desviación de cultivos comestibles hacia la producción de biocombustibles. Esto fue particularmente bien documentado en el caso del aceite de palma en Malasia (Atabani, 2012). (Ward, 2020, p. 153)
La producción de bioetanol de primera generación a partir de cultivos alimentarios también ha suscitado múltiples preocupaciones, como debates sobre alimentos versus combustibles y sostenibilidad ambiental (Osmani & Zhang, 2017). (Haji Esmaeili et al., 2020, p. 2)
Los biocombustibles de primera generación (bioetanol, biogás y biodiésel) se refieren a los que se producen directamente a partir de cultivos. Algunas de las materias primas típicas son el trigo y azúcar para la producción de bioetanol y la colza para la producción de biodiésel (Hammond & Li, 2016). Sin embargo, los biocombustibles de primera generación adolecen de dos problemas importantes.
Primero, el potencial de reducción de carbono de los biocombustibles de primera generación puede debilitarse debido al hecho de que los procesos de producción relevantes incurren en un aporte energético neto considerable y emisiones de carbono que compensan los beneficios bajos en carbono del uso de biomasa. Por ejemplo, la producción de biocombustible basada en selvas tropicales, turberas, sabanas en Brasil y el sudeste asiático podría liberar de 17 a 420 veces más dióxido de carbono que las correspondientes reducciones de GEI resultantes del desplazamiento de combustibles fósiles, lo que lleva a una deuda neta de carbono de biocombustibles
(Gomiero, 2015). En segundo lugar, el aumento de la producción de biocombustibles de primera generación implica un riesgo de desviar tierras agrícolas o cultivos de la producción de alimentos, lo que genera un dilema entre alimentos y combustibles y un aumento general de los precios de los alimentos (Taghizadeh et al., 2017). (Y. Li et al., 2020, p. 580)
b) Biocombustibles de segunda generación.
Los biocombustibles que se producen a partir de una variedad de materias primas diferentes, que van desde materias primas lignocelulósicas hasta desechos sólidos municipales, se conocen como biocombustibles de segunda generación. En este sentido, estos biocombustibles son más ecológicos, ya que están hechos de materias primas sostenibles y pueden reproducirse. El término sostenible se define principalmente por la disponibilidad de la fuente de la materia prima, el impacto de su uso en las emisiones de GEI y su efecto final sobre la biodiversidad. En este punto, la mayoría de los biocombustibles de segunda generación se encuentran en diversas etapas de experimentación y desarrollo, y no están ampliamente disponibles para los consumidores. (Alam & Tanveer, 2020, p. 57)
Los biocombustibles de segunda generación (biometano, biohidrógeno y bio-DMF) se derivan de biomasa no alimentaria, como residuos agrícolas, residuos orgánicos y residuos de cultivos alimentarios. La dependencia de fuentes no agrícolas de los biocombustibles de segunda generación sugiere un impacto reducido en la seguridad alimentaria y, por lo tanto, pueden ser potencialmente más respetuosos con el medio ambiente que los biocombustibles de primera generación (Mohammadshirazi et al., 2014). Los biocombustibles de segunda generación podrían tener un precio tan competitivo como los combustibles fósiles. Sin embargo, para ser una fuente sostenible, el aporte de energía para la producción de biomasa aún debe ser menor que la producción de energía obtenida de la biomasa (Mohammadshirazi et al., 2014).
(Y. Li et al., 2020, p. 581)
Los biocombustibles de segunda generación se han centrado en el uso de materias primas no comestibles para la producción de biocombustibles. Las materias primas incluyen desechos agrícolas, muchos de los cuales están basados en lignocelulosa, productos de desecho industrial como glicerol, desechos sólidos urbanos o incluso estiércol (Antoni, Zverlov & Schwarz, 2007). Estas materias primas se pueden convertir mediante varios pretratamientos en materias primas orgánicas/de azúcar adecuadas para la conversión microbiana en varios biocombustibles, incluidos
alcoholes, lípidos y biocombustibles gaseosos como metano e hidrógeno. (Ward, 2020, p. 153)
Los investigadores y profesionales se han centrado recientemente en materias primas de biomasa de segunda generación (celulósicas), especialmente residuos agrícolas como el rastrojo de maíz y cultivos energéticos como el pasto varilla. (Haji Esmaeili et al., 2020, p. 2)
c) Biocombustibles de tercera generación.
Se refiere al biocombustible elaborado principalmente a partir de algas.
Anteriormente, las algas se agrupaban con los biocombustibles de segunda generación. (Alam & Tanveer, 2020, p. 57)
Los biocombustibles de tercera generación se centran en el uso de microalgas o microbios fotosintéticos para utilizar la luz solar para fijar el dióxido de carbono y generar directamente biocombustibles, incluidos alcohol, lípidos e hidrógeno. (Ward, 2020, p. 153)
Se refieren a los producidos a partir de cultivos energéticos especialmente diseñados como las algas. Las algas sirven como materia prima renovable, de bajo costo y uso intensivo de energía para la producción de energía. Tienen el potencial de generar más energía por acre en comparación con los cultivos tradicionales (Kiran, 2014).
2000-5000 galones de combustible por acre podrían ser producidos por algas que pueden crecer en tierras no cultivadas o marginales. Puede estar cultivando algas utilizando agua y tierra que no son para la producción de alimentos; por lo tanto, disminuyen la presión sobre las fuentes de agua y tierra ya agotadas. Las algas tienen un impacto medioambiental menor en comparación con otras fuentes de biomasa utilizadas para biocombustibles (Gomiero, 2015). (Y. Li et al., 2020, p. 581)
En comparación con los biocombustibles de primera y segunda generación, los biocombustibles de tercera generación dan lugar a una productividad de combustible 10 veces mayor (9000 L de biocombustibles/hectárea) y, además, a una gama de sustancias químicas valiosas (clorofila) pueden extraerse de las algas y mejorar así la competitividad económica de los combustibles a base de algas (Kim et al., 2016).
(Hu et al., 2020, p. 448)
