Etanol_LignocelulosicoRG

Ingeniería Química

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SIN SIGLA

alfredo medina

7/11/2023

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Etanol a partir de biomasa lignocelulósica
Book · October 2012
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Alejandro Julio Abril
Universidad Nacional Evangélica
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Enrique A. Navarro
University of Valencia
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ETANOL A PARTIR DE
BIOMASA
LIGNOCELULÓSICA
Alejandro Abril
Enrique A. Navarro

© Aleta Ediciones (2012).
ISBN: 978-84-15225-50-8, 101 páginas
Depósito Legal: V-2846-2012
Imprime: GRÁFICAS SOL- Écija
3

Etanol a partir de Biomasa Lignocelulósica

Prólogo
El empleo del etanol como aditivo en el combustible automotor, ha ganado una gran
actualidad, impulsado por la tendencia al incremento en los precios del petróleo y sus
derivados y a las ventajas evidentes del etanol en cuanto a sus posibilidades de mezclado
con la gasolina en altas proporciones con incrementos en el índice de octano de la mezcla.
También influye el hecho de ser una tecnología conocida y de bajo nivel de complejidad y
aceptada en general como ecológica.
El uso del etanol como aditivo o combustible automotor, se conoce desde prácticamente el
inicio de la era del automóvil, y fue parte de la propaganda de los Ford modelo T, que
podrían funcionar con etanol del maíz. Durante las guerras mundiales, también se
desarrollaron algunas tecnologías de obtención de etanol a partir de residuos vegetales y se
realizaron mezclas con gasolina. Posteriormente, a partir de los años 70, Brasil inició un
amplio programa de desarrollo del etanol anhidro como aditivo o sustituto de la gasolina,
en un momento en que aún el precio del etanol no competía con esta.
La actual tendencia al incremento de los precios del petróleo, que alcanzaron valores
cercanos a los 150 dólares el barril en julio del 2008, y se han mantenido entre 80 y 90
dólares, ha creado una situación muy favorable para el incremento en la producción de
etanol combustible y el desarrollo de nuevos procesos, basados en el empleo de jugos de
caña de forma directa, granos como el maíz, trigo y otros productos ricos en almidón y a
partir de biomasa lignocelulósica (tanto de residuos vegetales, como de plantaciones
energéticas).
El empleo de granos en la producción de etanol, es inaceptable, desde el punto de vista
ético, en un mundo donde una gran parte de a población pasa hambre. Además, está
demostrada la ineficiencia energética de estos procesos.
El uso de la biomasa lignocelulósica, parece tener más perspectivas como fuente de
materias primas para la obtención de etanol, aunque debe analizarse con gran profundidad y
4

con un enfoque objetivo y holístico, que incluya todas las implicaciones actuales y futuras
de estas tecnologías, sin caer en un falso optimismo, incluyendo las limitaciones cada vez
mayores de la tierra disponible en el mundo para la agricultura, que ya es escasa en muchos
lugares y es necesario darle el uso más racional y eficiente.
El empleo del etanol como combustible automotor tiene aspectos relacionados con su
impacto medioambiental que no están aún bien definidos. En especial los productos de su
combustión, la disposición de las vinazas y del CO2 producido.
En la presente Monografía, se muestran las características y fuentes de la biomasa vegetal,
así como las tecnologías en desarrollo, sus características y posibilidades para la obtención
de etanol a partir de biomasa lignocelulósica.
Es de destacar que las tecnologías de obtención de etanol a partir de biomasa
lignocelulósica no están optimizadas en la actualidad y no compiten aún económicamente
con las tradicionales.
Ya inician su operación con fines demostrativos plantas de obtención de etanol a partir de
biomasa lignocelulósica, que permitirán divulgar sus ventajas y difundir estas tecnologías.

AUTORES

Alejandro J. Abril González, es Dr. en Ciencias Químicas. Investigador Titular y Director
de Química del Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azucar,
(ICIDCA).Enrique A. Navarro Camba, es Dr. en Física. Catedrático de la Universitat de València.
Coordinador de la Unidad de Logística de la Biomasa y Tratamiento MW, e investigador
del Instituto de Robótica y Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (IRTIC)
de la Universitat de València.

ÍNDICE
Pág.
I. Introducción 7
I. 1. La crisis del petróleo 8
I. 2. Demandas crecientes de combustibles y energía 9
I. 3. Cambio climático 10
I. 4. El “conflicto” de la tierra 10
I. 5. Alternativas de combustibles 10
II. Origen y concepto de la biomasa 11
II.1. Origen 11
II. 2. Concepto de biomasa 14
II. 3. Clasificación de la biomasa 15
II. 4. Biomasa lignocelulósica 16
III. Estructura de la biomasa lignocelulósica 19
III. 1. Estructura de la pared celular 19
III. 2. Estructura química
1. Celulosa
2. Hemicelulosas
3. Lignina
4. Extractivos
22
III. 3 Influencia de la estructura de los materiales de biomasa
lignocelulósica en su procesamiento
33
IV. Aprovechamiento energético de la biomasa
lignocelulósica
34
IV. 1. Los cultivos energéticos 35
IV. 2. Biorefinerías 36
IV. 3. El aprovechamiento energético de la biomasa y las emisiones 38
6

de CO2
V. Bioetanol 41
V. 1. El bioetanol 41
V. 2. Fuentes de obtención del bioetanol 43
V. 3. Procesos de obtención de bioetanol 44
VI. Obtención de etanol por vía bioquímica a partir de
materiales lignocelulósicos
45
VI. 1. Pretratamiento 47
VI. 2. Hidrólisis 53
VI. 3. Fermentación 55
VI. 4. Destilación 56
VI. 5. Disposición de residuales 56
VII. Procesos para la producción de etanol a partir de
biomasa lignocelulósica
56
VII. 1. Procesos en dos etapas 58
VII. 2. Procesos en una etapa 60
VII. 3. Ingeniería metabólica de microorganismos para la conversión
de lignocelulosa a etanol
63
VIII. Procesos industriales y a escala piloto utilizados en la
obtención de etanol a partir de biomasa
lignocelulósica.
68
VIII. 1. Planta de Biomasa de BCyL 68
VIII. 2. Tecnología SunOpta 72
VIII. 3. Proceso Iogen 73
VIII. 4. Proceso BioGasol 75
VIII. 5 Proceso ARKENOL 76
VIII. 6. Proceso de Y.H. Percival Zhang 79
VIII. 7. Proceso Honda de Etanol de Biomasa 80
VIII. 8. Proceso ACOS 81
7

VIII. 9. Proyecto Piloto MAXIFUELS 82
IX. El Mercado del Etanol 84
X. Problemas vinculados a la producción de etanol 86
X. 1. La formación de CO2 86
X. 2. Las vinazas 87
X. 3. El etanol en mezclas con gasolina 87
X. 4. Problemas de la obtención de etanol a partir de biomasa
lignocelulósica

88
XI. Posibilidades del bioetanol como sustituto de la
gasolina
88
XI.1. Tierras dedicadas a la agricultura 88
XI. 2. El bioetanol lignocelulósico como sustituto de la gasolina

90
XII. Consideraciones Finales 93
XIII. Referencias 95

I. Introducción
La humanidad demanda cada vez más energía, la cual está estrechamente vinculada al
desarrollo de la sociedad. Durante el siglo XX y los inicios del XXI, la fuente fundamental
de energía fueron los combustibles fósiles, básicamente petróleo, gas natural y carbón, los
cuales se emplean también como materias primas de partida para la industria química.

En el momento actual, en los finales de la primera década del siglo XXI, ya puede verse
con más claridad que el fin del aprovechamiento del petróleo (por su agotamiento o por
alcanzar precios por su baja disponibilidad que se vuelva impracticable su uso) se producirá
en las próximas décadas, por lo que en el futuro, tanto la generación de energía, como la
fuente fundamental de materias primas tendrá que centrarse en otras fuentes,
principalmente renovables.

La biomasa, fundamentalmente la vegetal, es una fuente renovable de energía y de
productos químicos y materiales, resultado de la conversión de la energía solar por las
plantas a través del proceso de fotosíntesis. Ante el fin cercano de la “Era del petróleo”, la
biomasa debe alcanzar un protagonismo en los próximos años y convertirse en la base de la
nueva industria del futuro cercano.

Figura 1. Era de los biomateriales

.
Figura 2. Potencial de la biomasa como fuente de productos y energía

A continuación se relacionan los principales problemas actuales que afectan a nuestra
sociedad en el campo de la energía y el medio ambiente.

• Las crisis del petróleo
• Demandas crecientes de combustibles y energía
• Cambio Climático
• El “conflicto” de la tierra
• Alternativas de combustibles

I. 1. Las crisis del petróleo
Se puso de manifiesto por primera vez en los años 70 del siglo XX con un incremento
significativo en los precios del mismo que provocaron alarma en el mundo y fue una señal
que confirmó la gran influencia del precio del petróleo en la economía (y política) mundial.

Desde la segunda mitad del siglo XX, se hacen pronósticos sobre la fecha en que se acabará
el petróleo (o cuando se hará inviable su extracción) que estaban en el orden de 30 a 50
años. El desarrollo de nuevas técnicas de extracción y búsqueda y la aparición de nuevos
yacimientos, han extendido el pronóstico a otros 30 años, pero lo importante es el hecho
10

real del incremento sostenido de los precios que harán en algunas décadas inviable su
empleo como combustible de uso masivo, en especial para los países más pobres.
En julio del 2008, los precios alcanzaron valores cercanos a los 150 dólares el barril, pero
unos meses después cayeron a algo más de 30, recuperándose posteriormente hasta alcanzar
valores del orden de los 60-70, los cuales se deben mantener durante el 2009 (EIA 2009).
Este comportamiento de subidas espectaculares y caídas se debe mantener en los próximos
años.

I. 2. Demandas crecientes de combustibles y energía
El consumo de energía por habitante por año de un país, es un índice directamente
relacionado con el desarrollo social y nivel de vida de un país o región. La generación de
esta energía se basa en la actualidad en el empleo de combustibles fósiles, con índices que
muestran una gran desigualdad entre los países ricos y pobres. En el caso de los países más
desarrollados, en especial Estados Unidos, el patrón de consumo de portadores energéticos
es irracional e irrepetible como modelo para el resto de los países.

Las demandas mundiales de energía se deben duplicar en los próximos 20 años. De un
consumo actual del orden de los 12 Giga toneladas en el 2007, debe aumentar a 24 en el
2025, (Castro 2003) lo que obliga a la búsqueda de alternativas viables y sostenibles y
acorta el plazo para la solución del problema.

Figura 3. Incrementos en la población mundial
6600
6800
7000
7200
7400
7600
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2005 2010 2015 2020 2025
Población
11

Por otra parte, la población mundial mantiene su crecimiento, esperándose una población
de más de 7600 millones para el 2020, de los cuales, 6400 millones estarán en países en
desarrollo (83%), en los que el consumo de combustibles tiene índices mucho menores que
en los países desarrollados, pero que de seguir las mismas tendencias de consumo de estos,
puede provocar incrementos mucho mayores en las demandas de combustibles. (Inforo
2009)

I. 3. Cambio climático
Si en los inicios del siglo XXI, no había una opinión unánime acerca de la realidad del
fenómeno del cambio climático, en la actualidad, ya está casi unánimemente aceptada, en el
que la actividad del hombre ha jugado un papel importante, en especial por la quema de
combustibles fósiles y su contribución al efecto el efecto invernadero, la deforestación y la
destrucción parcial de la capa de ozono entre otros factores.

I. 4. El “conflicto” de la tierra
La superficie de nuestro planeta está cubierta solamente en aproximadamente una cuarta
parte por tierra, que incluye los desiertos, humedales, bosques, zonas urbanas, ríos y lagos,
áreas montañosas, zonas para la cría de ganado y áreas agrícolas. Esta área, con el
desarrollo actual de la sociedad humana,no es probable que crezca, sino que por el
contrario tiende a reducirse.

Como consecuencia del cambio climático, las zonas desérticas están creciendo en muchas
partes del planeta, la urbanización (muchas veces incontrolada), reduce las áreas cultivables
y bosques, por lo que en la actualidad ya es necesario comenzar a planificar a mediano y
largo plazo la estrategia de utilización de la tierra de manera racional para cubrir las
necesidades de alimentación, urbanización, generación de energía, áreas de bosques y
represas y lagos artificiales para el almacenamiento de agua dulce.

I. 5. Alternativas de combustibles
Existen varias alternativas para la sustitución progresiva de los combustibles fósiles, las
fundamentales son en primer lugar el incremento de la eficiencia en la generación y el
12

ahorro, así como el empleo de la energía hidráulica, la eólica, nuclear, solar (directa y
fotovoltaica), la obtención de combustibles a partir de la biomasa y otras en desarrollo
como la de las mareas y otras.

En el caso del aprovechamiento de la biomasa, el combustible líquido que más se ha
desarrollado y ha recibido más atención como posible sustituto de la gasolina es el etanol,
teniendo en cuenta la gran experiencia acumulada en su obtención, posibilidades de
mezclarse con la gasolina en diferentes proporciones, sin la necesidad de realizar grandes
cambios en los motores y la posibilidad de utilizar la infraestructura existente para la
distribución de la gasolina.

II. Origen y concepto de la biomasa

II.1. Origen
La energía que puede obtenerse a partir de la biomasa proviene de la luz solar, que gracias
al proceso de fotosíntesis se aprovecha por las plantas verdes mediante reacciones químicas
en las células vivas. La energía solar entonces se transforma en energía química, que se
acumula en diferentes compuestos orgánicos (polisacáridos, grasas y otros) a lo largo de
toda la cadena trófica, incluido el hombre.

El ser humano, además, la transforma por procedimientos artificiales para obtener bienes de
consumo. Todo este proceso da lugar a elementos utilizables directamente o como materia
prima, pero también a subproductos que, entre otras, tienen la posibilidad de encontrar
aplicación en el campo energético.

Figura 3. Generación de biomasa.

Las plantas aprovechan la radiación solar para su metabolismo a través de la fotosíntesis,
que es un proceso mediante el cual éstas transforman la energía solar en energía química. El
proceso fotosintético está constituido por un complejo entramado de reacciones
fotoquímicas y bioquímicas que ocurren en los cloroplastos de la célula, la cual es la
verdadera fábrica de energía que sostiene la vida. La energía química se refiere a la
implicada en la formación o la rotura de enlaces entre los átomos que forman las moléculas.

La energía química se almacena en forma de moléculas orgánicas como la glucosa,
fabricada por las plantas en la fotosíntesis con fines de almacén energético. La glucosa, un
azúcar de 6 carbonos, es el combustible sintetizado en primer lugar; posteriormente los
monómeros de glucosa se polimerizan dando lugar a las macromoléculas que forman los
polisacáridos. El almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales son los
polisacáridos que constituyen las reservas de energía de la vida vegetal y animal. La
molécula de almidón está formada por unas 3 000 unidades de glucosa mientras que el
glucógeno por 12 a 18 unidades.

La fotosíntesis consta de dos fases: una fase luminosa y una fase oscura. Durante la fase
luminosa, la energía de la radiación solar se emplea en pasar a un estado excitado (más
energético) los electrones de las moléculas de clorofila.
La fase luminosa se resume así:

H2O + NADP + 3/2 ADP + 3/2 Pi Radiación Solar NADPH + 3/2 ATP + H + ½ O2

Donde:
NADP - nicotín adenín dinucleótico fosfato
ADP- adenosín difosfato
NADPH- Estado reducido del nicotín adenín dinucleótico fosfato
Pi - Fosfato inorgánico

En la fase oscura se sintetiza la materia orgánica con la incorporación a la materia vegetal
de CO2 y en mucha menor escala de otros elementos integrantes de las proteínas y los
nucleótidos como el azufre y el nitrógeno. Se emplean en esta fase las moléculas reductoras
y las moléculas energéticas formadas en la fase luminosa, NADPH y ATP respectivamente.
La reacción representativa de la fase oscura es:

6CO2 + 12NADPH + 12H + 18ATP + 12H2O C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18Pi

Esta síntesis consume del orden de 4,4 kWh por kg de glucosa C6H12O6. La eficiencia de la
fotosíntesis es de un 5%, esto quiere decir que se necesitan 88 kWh solares para fabricar
este kilogramo. En condiciones reales de crecimiento de las plantas, el rendimiento final de
la fotosíntesis es en general de un 0,3%. Algunas plantas son algo más eficientes porque
utilizan durante la fase oscura diferentes líneas de síntesis de la glucosa, como la caña de
azúcar, el maíz y el sorgo entre otras.

El proceso fotosintético hace crecer la biomasa vegetal, siendo este el alimento necesario
para los animales. De este modo se desarrolla la biomasa animal, que durante su
15

metabolismo y al final de su ciclo de vida produce también residuos aprovechables
energéticamente.

II. 2. Concepto de biomasa
En este trabajo, emplearemos la definición de I. Mateos Moreno. (2006) que define la
biomasa como el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o
procedente de la transformación natural o artificial de la misma.

Toda esta variedad, en cuanto a orígenes, de posibles materiales a incluir en este término,
tiene como nexo común el derivar directa o indirectamente del proceso de fotosíntesis. Por
esta razón se presentan de manera periódica y no limitada en el tiempo, o sea, de forma
renovable.

Teniendo en cuenta la definición anterior, ésta se puede clasificar, atendiendo a su origen,
en: Biomasa Vegetal, Animal y Residual. La Vegetal incluye a toda la biomasa de
procedencia vegetal. Incluye la biomasa lignocelulósica y a los productos de la agricultura
conteniendo azúcares, almidones y proteínas, como granos, frutos y otros.

Biomasa natural: Es la que se produce en ecosistemas naturales. La explotación intensiva
de este recurso no es compatible con la protección del entorno.

Biomasa residual: Es todo desecho de materia orgánica proveniente de los seres vivos, ya
sea por vía natural o debido a la intervención de las tecnologías del hombre. Incluye los
residuos forestales y agrícolas, los residuos sólidos urbanos y los residuos biodegradables
(efluentes ganaderos, lodos de depuradoras, aguas residuales urbanas,…). Los residuos
orgánicos que a menudo se consideran un subproducto, pueden llegar a cobrar un valor
muy importante en los procesos productivos.

Cultivos energéticos: son los realizados con el único objeto de su aprovechamiento
energético y se caracterizan por una gran producción de materia viva por unidad de tiempo.

Excedentes agrícolas: están constituidos por los productos agrícolas que no son empleados
por el hombre.

II. 3. Clasificación de la biomasa
Según su procedencia, se puede clasificar en:
• Ganadera.
• Agrícola.
• Forestal.
• Urbana.
• Industrial.

La biomasa se puede transformar en una amplia variedad de productos líquidos, sólidos o
gaseosos importantes desde el punto de vista energético, industrial y agrícola. Los procesos
de aprovechamiento y valorización se pueden dividir en físico-químicos (alteración de las
características físico-químicas del material), termoquímicos (descomposición térmica de la
biomasa) y bioquímicos (debidos al empleo de microorganismos o enzimas que degradan
la materia orgánica).

Residuos agrícolas
Se agrupan en dos grandes grupos: residuos de cultivos leñosos y residuosde cultivos
herbáceos.

Residuos de cultivos leñosos
Estos residuos presentan una marcada estacionalidad, tanto por el momento de su
producción como por la necesidad de retirarlos del campo en el menor tiempo posible para
no interferir otras tareas agrícolas, y evitar la propagación de plagas o incendios.

De los residuos agrícolas leñosos podemos destacar los generados en las podas de
diferentes plantaciones y bosques.

Residuos de cultivos herbáceos
La mayor parte de los residuos generados por las industrias agrícolas y agroalimentarias no
pueden ser considerados estrictamente como tales, ya que en muchas ocasiones son
realmente subproductos que se emplean como materia prima en otras industrias.

Los residuos biodegradables engloban una serie de subproductos susceptibles de ser
transformados mediante mecanismos de degradación anaerobia, descomponiéndose y
dando lugar a una fracción en estado gaseoso.

II. 4. Biomasa lignocelulósica
Es la biomasa vegetal constituida fundamentalmente por celulosa, hemicelulosas y lignina.
Se excluyen en este caso la biomasa constituida principalmente por almidón, proteínas y
azúcares, como son los casos de los granos, cereales, mieles y otros.

La biomasa de origen lignocelulósico, es el material orgánico más abundante en la tierra.
Sus fuentes son los bosques, cultivos agrícolas, residuos de cosechas y otros residuos
industriales como residuos de la industria de la madera y los tableros, residuos de la
industria del papel y el papel reciclado.

Las primeras aplicaciones de la biomasa de origen lignocelulósico, fueron como
combustible, la construcción y alimento animal fundamentalmente. Hoy, sus aplicaciones
son muy amplias y constituyen la base de muchas industrias como la de la celulosa y papel,
fuente de obtención de productos químicos, composites, materiales de construcción,
combustibles líquidos y gaseosos y muchas más.

Los materiales lignocelulósicos, tienen la ventaja de ser biodegradables, y renovables,
siendo el resultado del proceso de fotosíntesis de los vegetales mediante la energía solar.
Bajo este enfoque, su empleo como combustibles representa una forma sostenible y
amigable con el medio ambiente de aprovechamiento de la energía solar.

La biomasa de origen lignocelulósico, está constituida fundamentalmente por celulosa,
hemicelulosas, lignina, extractivos (mezcla de diferentes compuestos orgánicos) y algunos
componentes inorgánicos, que se transforman en cenizas después de la combustión del
material. Estos componentes, constituyen también la base de un gran número de
aplicaciones y derivados de gran importancia y valor agregado.

A continuación se muestran las fuentes, categorías y tipos de biomasa lignocelulósica.

Tabla 1. Fuentes, Categorías y Tipos de Biomasa Lignocelulósica.
1. Residuos forestales A. Industrias
forestales •Tocones
•Copas
•Ramas
•Follaje
•Cortezas
2. Desechos industriales
•Aserrín
•Bordes
•Recorterías
•Defectos
1. Pulpas B. Industria de
Celulosa y
Papel y
Tableros
•Pulpas Químicas
•Pulpas Mecánicas, quimimecánicas y
semiquímicas
•Pulpa para disolver y absorbente
2. Tableros
•Tableros de fibra
•Tableros de partículas
•Tableros prensados
•Tableros MDF
3. Cartones y moldeados
•Cajas corrugadas
•Cartulinas
•Cartones multicapa
•Cartones y cartulinas estucadas
•Moldeados de celulosa
4. Papeles de imprenta y escribir
5. Papeles y cartones industriales
6. Licores residuales del pulpeo y fabricación de papel.
•Licores negros y efluentes de blanqueo •Fibras de rechazo
•Residuales de papel.
1. Desechos sólidos locales C. Sector Urbano
•Cajas, envases de Madera, pallet
•Cartones, cajas de cartón y otros envases
de papel y cartón
•Papeles, libros y otros impresos
•Papel de desechos de oficinas
•Papeles desechables
•Muebles de madera
•Envases de alimentos
•Desechos de instrumentos de
madera
19

2. Escombros
•Construcciones de Madera •Árboles
1. Cultivos no maderables y Fibras naturales D. Derivados de
las
producciones
agrícolas y de
alimentos
•Algodón
•Bambú
•Henequén
•Kenaf
•Lino
•Crotolaria
•Abacá
•Esparto
•Cáñamo
•Miscantus
•Caña energética

2. Residuos agrícolas de cosechas
•Paja y bagazo de caña de azúcar
•Pulpa de café
•Residuos de producciones de frutales
•Pajas de cosechas de cereales.
•Residuos de producción de vinos,
aceites y otros productos.

A pesar de la gran variedad y cantidad de biomasa lignocelulósica, no toda se puede
aprovechar eficientemente, por causa de su disponibilidad, concentración y otros factores,
que pueden hacer inviable su aprovechamiento.

Figura 5. Biomasa lignocelulósica

III. Estructura de la biomasa lignocelulósica

III. 1. Estructura de la pared celular
En general, se toma la estructura celular de la madera, como ejemplo de la estructura de la
lignocelulosa. En su estado natural, empleando la madera como modelo, las capas de la
pared celular se representan en las figuras 6 y 7. Los espesores de las capas, se muestran en
la figura 6.

Figura 6. Esquema de la pared celular de la madera.

Figura 7. Esquema de la estructura en capas de las fibras de madera.
Entre las células, se encuentra la Lamela media (ML), con un alto contenido de lignina, que
actúa como pegamento para mantener unidas las fibras. Es de aproximadamente 0,1- 1
micrómetros de espesor. Su alto contenido de lignina la convierte en un aislador duro e
hidrofóbico alrededor de las fibras, que tiene que ser removido para permitir su separación.
Hacia el interior, se encuentra la Pared primaria (P). La misma se puede dividir en una
superficie externa y una interna.

El ordenamiento de las microfibrillas que la constituyen, se incrementa del exterior al
interior. Las fibrillas de celulosa forman un enrejado delgado con muy poca orientación,
embebida en sustancias amorfas, hemicelulosas pécticas y fundamentalmente lignina. Por
ello tiene muy poca capacidad de hinchamiento y estalla al tratar la fibra con agentes
hinchantes.

Capa media de la
pared secundaria (S2)
Pared Primaria (P)
Superficie externa Superficie interna
Capa interna de S2 Capa externa de S2
0-6 láminas
30-50 láminas Algunas láminas entre S1 y S2 Algunas láminas entre S1 y S2

4-6 láminas alternadas con
orientación contraria de las
microfifrillas
22

Después de P, se encuentra la Pared secundaria, que consta de tres capas S1 (externa), S2
(media) y S3 (interna). En S1, las microfibrillas están orientadas en una estructura helicoidal
cruzada.

S2, es la capa de mayor espesor y en general juega un papel de gran importancia en los
procesos a que se someten los materiales lignocelulósicos. Constituye el grueso del espesor
de la fibra (75%), con un espesor variable entre 2 –10 micrómetros. Su contenido de
celulosa relativamente alto se presenta en microfibrillas. Ocasionalmente se presentan
discontinuidades en el ordenamiento de las microfibrillas, que facilitan la accesibilidad al
ataque químico.

La estructura de la lignina incrustante es amorfa pero íntimamente mezclada con el
enrollamiento. Las investigaciones realizadas han demostrado que el ángulo en que se
enrollan las microfibrillas está relacionado con las propiedades de resistencia de las fibras.

Se ha encontrado que mientras mayor es la orientación o paralelismo de las microfibrillas
con el eje longitudinal de la fibra, más resistente es la fibra. El enrollamiento microfibrilar
de celulosa de la capa S2 en la pared secundaria aparece incrustado con hemicelulosas y
lignina formando una estructura densa.

Las microfibrillas de S3, se pueden ordenar en dos o más orientaciones. Es la estructura que
limita la pared de la fibra hacia el lumen, y su mayor interés está dado desde el punto de
vista del pulpeo, ya quees la primera capa de la pared celular que se pone en contacto con
los reactivos en los procesos químicos. Su espesor varía entre 0,07 – 0,1 micrómetros.
Tiene una estructura densa, consistente en un enrollado de microfibrillas celulósicas
arregladas en un ángulo que varía con la especie. Se discute si la estructura es de tipo rejilla
al igual que la capa S1, o si es de tipo enrollado en espiral.

Finalmente, en algunos casos, existe la capa llamada W en la superficie más interna de la
pared celular. En algunos casos se considera la existencia de una pared terciaria (T), entre
S3 y W.
23

Figura 8. Espesor relativo de las capas de la pared celular de la madera.

III. 2. Estructura química
Los materiales constituidos por biomasa lignocelulósica, están constituidos
fundamentalmente por celulosa, hemicelulosas, lignina, extractivos (mezcla de diferentes
compuestos orgánicos) y algunos componentes inorgánicos, que se transforman en cenizas
después de la combustión del material.

La celulosa, hemicelulosas y lignina, constituyen en general más del 75% del material
vegetal, y están constituidos por polímeros orgánicos de alto peso molecular. (Tabla 2).

Espesor relativo
aproximado
5%
10%
75%
10%
24

Tabla 2. Estructura química de materiales de biomasa lignocelulósica seleccionados
Componente % Coníferas
(a)
Maderas
duras
(a)
Bagazo
de caña
(b)
Paja de
trigo
(c)
Paja de
arroz
(c)
Algodón
(a)
Celulosa 40-45 40-50 43-47 38-42 34-36 95-99
Hemicelulosas 20-27 23-33 28-32 28-32 24-30 -
Lignina 25-30 18-23 20-22 19-23 22-23 -
Extractivos 4,0 1,5-2,0 2,5-3,0 3,0-5,0 2,0-3,0 1-5
Cenizas 2-4 1,5-3,5 1,5-2,5 4-6 17-19 -
(a) Basile De Castro F. (1994), (b)Triana O. y col. (1990), (c) Wiselogel, A. Tyson, S. , Johnson, D. (1996)

1. Celulosa
La celulosa es un polímero de cadena lineal, formado por la unión de unidades
anhidroglucosa, en cadenas de glucano. Las unidades anhidroglucosa, están unidas por
enlaces β-(1,4)-glucosídicos. Debido a este tipo de unión, se ha establecido a la celobiosa
como la unidad repetida en las cadenas de celulosa. (Figura 9). El grado de polimerización
(GP) de la celulosa nativa está en el rango de 7,000-15,000 [(GP) =Masa molecular de la
celulosa/Masa molecular de la glucosa)].

Figura 9. Cadena de celulosa

Unidad de celobiosa
25

Por la formación de enlaces de puentes de hidrógeno intermoleculares y extramoleculares
entre los grupos OH de una misma cadena y cadenas adyacentes, las cadenas de celulosa
tienden a ordenarse en planos paralelos y formar una estructura cristalina supramolecular.
De esta forma, conjuntos de cadenas lineales en la dirección longitudinal, tienden a formar
microfibrillas, que se orientan en la estructura de la pared celular. (Dey y Brinson, 1984).

La estereoquímica de las unidades de glucosa en las cadenas de celulosa, con cada unidad
de glucosa formando un ángulo de 180 0 con su vecino, permite la formación de tres enlaces
de hidrógeno por residuo entre cada cadena adyacente. (Figura 10)

Figura 10. Red de enlaces por puente de hidrógeno en la celulosa. Cada residuo de
glucosa forma dos enlaces intramoleculares (O3-H⋅⋅⋅O5' y O6⋅⋅⋅H-O2') y un enlace
intermolecular (06-H⋅⋅⋅O3). (Gardner y Blackwell, 1974)

Esta gran red de enlaces de hidrógeno, es la razón fundamental de la resistencia de la
celulosa. Al asociarse las cadenas de celulosa, de forma paralela, le confieren una
determinada cristalinidad (Cowling y Kirk, 1976).
26

La cristalinidad de la celulosa, hace que la misma sea insoluble en agua, a pesar de su alto
contenido de grupos OH y tiene implicaciones importantes en los procesos a que son
sometidos los materiales lignocelulósicos, ya que esta estructura cristalina, limita el ataque
de diferentes reactivos químicos y enzimas. En general, la estructura de la celulosa en los
materiales lignocelulósicos, consta de zonas cristalinas y zonas amorfas.

Para romper o penetrar esta estructura, se requieren severos tratamientos y condiciones, que
permitan incrementar la accesibilidad de la celulosa. La estructura de la celulosa no es el
único factor que limita su accesibilidad. Otros componentes que están íntimamente
vinculados a la celulosa en el vegetal, como son la lignina y las hemicelulosas, juegan un
importante rol en los procesos utilizados para el aprovechamiento de los materiales
lignocelulósicos, como son los procesos físico-químicos, por microorganismos y
enzimáticos (Cowling, 1975).

Los tratamientos físicos como la molida, aumentan la superficie expuesta del material, así
como disminuyen el grado de polimerización del material y su cristalinidad, por lo que
facilitan los tratamientos posteriores. Los tratamientos químicos con ácidos, álcalis o
agentes oxidantes, pueden además romper la estructura interna y las barreras estéricas de la
lignina y hemicelulosas asociadas, favoreciendo los procesos posteriores para el
aprovechamiento del material lignocelulósico. (Millett et al., 1975).

2. Hemicelulosas
El término hemicelulosas se empleó primeramente para referirse a cualquier polisacárido de
origen vegetal que se extraía en soluciones ligeramente alcalinas (Schulze, 1891 citado por
Wilkie, 1979). Se conocen diferentes tipos de hemicelulosas en las plantas; xilanos,
mananos, glucanos, galactanos y galacturanos (Wilkie, 1979). Los xilanos y mananos, son
los grupos de hemicelulosas más importantes presentes en los materiales lignocelulósicos.
En general, las hemicelulosas tienen bajos grados de polimerización (<200) (Cowling y
Kirk, 1976).

Los xilanos son las hemicelulosas más comunes y los polisacáridos no celulósicos más
importantes de las angiospermas (por ejemplo monocotiledóneas y maderas duras). Los
xilanos están constituidas por un esqueleto de unidades anhidro xilopiranosil unidas por
enlaces ß-1-4 glicosídicos, en el cual se pueden sustituir varios residuos.

Las posibles configuraciones de los dos tipos más comunes de xilanos, llamados
glucoarabinoxilano, glucuronoxilano y glucomanano, se muestran en la figura 11

Figura 11. Posibles configuraciones de los glucoarabinoxilanos, glucuronoxilanos y
glucomananos, (Thompson, 1983)

Los glucuronoarabinoxilanos se encuentran con frecuencia en las monocotiledóneas. Estos
xilanos presentan unidades L-arabinofuranosil unidas por enlaces (1-3) glicosídicos y ácido
glucurónico, presente en general como éter 4-O-metil unido por enlaces (1-2) glicosídicos a
la cadena principal de xilosa.
28

El tercer sustituyente más común, unido normalmente al C2 y/o C3 de la cadena de xilosa,
es el grupo acetilo (Thompson, 1983). Se considera que mientras mayor es la sustitución de
grupos acetilo, mayor es la solubilidad del xilano y menor su habilidad para unirse a la
celulosa (Wallace, 1989).

La concentración relativa de grupos acetilo en las hemicelulosas, es también importante en
el caso de los tratamientos de materiales lignocelulósicos con vapor, ya que la eficiencia de
tales tratamientos depende en parte de la liberación de estos grupos que actúan como
catalizadores de las reacciones químicas posteriores [Aronovsky y Gortner (1930) citado
por Muzzy et al. (1983)].

La segunda forma más abundante de los xilanos son los glucuronoxilanos, los cuales se
encuentran en general en las maderas duras y tienen una estructura similar a la de los
glucuronoarabinoxilanos, con la diferencia de que las unidades arabinofuranosil están
ausentes (Thompson, 1983).

A pesar de las diferencias en la composición de azúcares y grado de sustitución, se observa
que los xilanos presentes en las monocotiledóneas y maderas duras presentan similitudes
con respecto a sus propiedades físico-químicas y comportamientos frente a los tratamientosa que son sometidos. En general, las hemicelulosas y en particular los xilanos, pueden ser
solubilizados de manera eficiente por la hidrólisis en medio ácido débil (Wilkie, 1979).

Para lograr una solubilización de la glucosa presente en la celulosa, en proporción
semejante a la que se logra con las hemicelulosas, se requiere un tratamiento mucho más
drástico de hidrólisis ácida, o una combinación de hidrólisis ácida-tratamiento enzimático.
La relativa facilidad de extracción de azúcares de las hemicelulosas, la han convertido en
una fuente de obtención de combustibles, alimento animal y productos químicos
(Thompson, 1983; Overend y Chornet, 1987).

Los mananos, son los mayores componentes de las hemicelulosas de las maderas blandas.
Normalmente, son de más difícil extracción de la pared celular que los xilanos. El
glucomanano, es el manano más importante presente en las maderas blandas. Está
constituido por un esqueleto de unidades de glucopiranosil y manopiranosil unidos por
enlaces ß-1-4 glicosídicos.

Los grupos acetilo se pueden encontrar unidos a C2 y/o C3 de las unidades de glucosa o
manosa, dependiendo de las características de la planta. Al igual que en el caso de los
xilanos, la existencia de los grupos acetilo en los mánanos, tiene importantes implicaciones
en sus propiedades físicas (Wayman y Parekh, 1990).

En la figura 12, se muestran las formulas de los azúcares que componen las hemicelulosas.

Figura 12. Unidades de azúcares en las hemicelulosas.
30

3. Lignina
La lignina es el componente no carbohidrático más importante presente en la pared celular
de la planta madura. Se considera que la lignina cumple dos
funciones fundamentales en los vegetales: Dar resistencia y
servir de pegamento a la pared celular y aportar resistencia al
ataque de los microbios (Theander y Åman, 1984). La lignina es
un polímero condensado de alto peso molecular y estructura amorfa. Está constituida por
unidades fenilpropano.

Estas unidades se encuentran unidas por enlaces carbono- carbono (C-C) y tipo éter (C-O-
C) (Figura 13).

Las ligninas se clasifican de acuerdo a las unidades monoméricas que las constituyen en
estructuras del tipo p-hidroxifenil, guayacil y siringil.

Figura 13. Estructura esquemática de las principales estructuras de la lignina de las
gimnospermas. (Adler, 1977)
31

Estas estructuras corresponden a los siguientes precursores de la lignina: alcoholes p-
coumaril, coniferil y sinapil (Figura 14).

Figura 14. Estructura química de los alcoholes p-coumaril, coniferil y sinapil.
Principales precursores en la biosíntesis de la lignina. (Theander y Åman, 1984)

Las ligninas guayacílicas, ricas en residuos de guayacil, se encuentran en las gimnospermas
(maderas blandas). Las maderas duras contienen tanto grupos guayacílicas como
siringílicas en una relación que puede variar de 4:1 a 1:2. El último y posiblemente más
complejo grupo de ligninas son las ligninas de las plantas anuales. Las mismas contienen
los tres residuos aromáticos en cantidades significativas (Nimz et al., 1981).

Estos tipos de lignina son muy diferentes de las ligninas de maderas, ya que poseen ácidos
fenólicos (PAC), ácidos p-coumárico y ferúlico y amino ácidos estrechamente asociados
con el núcleo de la matriz de lignina (Van Soest, 1982). Los PAC se encuentran enlazados
a la lignina por enlaces éter o éster (Billa et al., 1993).

Los fuertes enlaces covalentes en la estructura de la lignina (por ejemplo C-C y enlaces de
éter, hace a la lignina muy resistente a la acción hidrolítica de Las ligninas guayacílicas,
ricas en residuos de guayacil, se encuentran en las gimnospermas (maderas blandas). Las
maderas duras contienen tanto grupos guayacílicas como siringílicas en una relación que
puede variar de 4:1 a 1:2.
32

El último y posiblemente más complejo grupo de ligninas son las ligninas de las plantas
anuales. Las mismas contienen los tres residuos aromáticos en cantidades significativas
(Nimz et al., 1981). Estos tipos de lignina son muy diferentes de las ligninas de maderas, ya
que poseen ácidos fenólicos (PAC), ácidos p-coumárico y ferúlico y amino ácidos
estrechamente asociados con el núcleo de la matriz de lignina (Van Soest, 1982).

Los PAC se encuentran enlazados a la lignina por enlaces éter o éster (Billa et al., 1993).
De acuerdo a mediciones analíticas (Wayman y Chua, 1979a), los alcoholes
fenilpropanoides presentes en el núcleo de la lignina, producen p-hidroxibenzaldehido,
vainillina y siringaldehido cuando se someten a moderada oxidación. La oxidación de los
ácidos p-coumárico y ferúlico puede también dar p-hidroxibenzaldehido y vainillina,
(Figura15).

Figura 15. Relación entre alcoholes cinamílicos, ácidos y sus productos de oxidación
por nitrobenceno. (Harris y Hartley, 1976)
33

Cuando materiales lignocelulósicos obtenidos de pajas y plantas anuales se someten a
oxidación con nitrobenceno, la mayor parte del p-hidroxibenzaldehido y hasta el 25% de la
vainillina, se producen a partir de los ácidos p-coumárico y ferúlico presentes (Van Soest,
1982).

La presencia de PAC en las ligninas de pajas y plantas anuales, tiene importantes
consecuencias en la eficiencia de los tratamientos químicos utilizados para incrementar la
utilización de estos materiales. Los PAC de las ligninas de pajas y plantas anuales, se
pueden disolver cuando se someten a tratamientos con álcalis en frío. Otras ligninas que no
contienen enlaces lábiles a la acción de álcalis, no son afectadas. Para lograr la
deslignificación de cualquier material lignocelulósico, los enlaces éter entre los precursores
de la lignina tienen que ser rotos por tratamientos con agentes oxidantes o tratamientos con
agentes químicos a altas temperaturas (Chua y Wayman, 1979b).

4. Extractivos
Se denominan extractivos a los compuestos orgánicos de bajo peso molecular que están
presentes en los materiales lignocelulósicos y que pueden extraerse con disolventes
orgánicos o mezclas de los mismos, tales como etanol-benceno, cloroformo y otros.

Las resinas son extractivos característicos de las maderas, y están compuestas por terpenos,
lignanos y otros compuestos aromáticos, grasas, ceras, ácidos grasos, y alcoholes,
serpentinas, taninos y flavonoides. Los extractivos representan en general entre el 4 y 10%
del peso total del material. Los extractivos se encuentran fundamentalmente en los canales
resinosos, células parenquimatosas y una pequeña cantidad en la lamela media y pared
celular de las traqueidas. Algunos extractivos son tóxicos y protegen a las maderas del
ataque de hongos y termitas.
34

III. 3 Influencia de la estructura de los materiales de biomasa lignocelulósica en su
procesamiento
La estructura del material lignocelulósico, fuente de origen, edad, características
morfológicas y características químicas y estructurales de sus componentes químicos,
celulosa, hemicelulosas, lignina, extractivos y cenizas, tienen una influencia fundamental
en los procesos empleados para la transformación por vía química, física o enzimática del
material lignocelulósico en diferentes productos.

Es de gran importancia realizar una caracterización completa del material, para conocer de
manera detallada su estructura y características químicas del mismo y sus componentes, de
forma de poder diseñar los tratamientos más eficaces para lograr una transformación
eficiente del material.

Otro aspecto de gran importancia a tener en cuenta en el aprovechamiento de los materiales
lignocelulósicos es su manipulación y almacenamiento.Al ser materiales biodegradables,
las condiciones de almacenamiento y manipulación, son de gran importancia para la
conservación del material en las condiciones adecuadas para su procesamiento, evitando las
pérdidas que se pueden producir por procesos de fermentación y degradación incontrolados,
que pueden afectar seriamente las propiedades del material y disminuir sensiblemente su
rendimiento.
35

IV. Aprovechamiento energético de la biomasa lignocelulósica
Para el aprovechamiento de la energía de la biomasa lignocelulósica contenida en los
enlaces químicos del carbono, hay que realizar siempre una combustión. La combustión de
la biomasa sólida puede realizarse directamente en un horno; sin embargo, cuando
mediante tratamientos físicos, químicos y biológicos intermedios obtenemos combustibles
líquidos o gaseosos, éstos se pueden quemar tanto en las calderas como en motores de
combustión interna, donde podemos extraer calor y trabajo mecánico.

Este trabajo se puede emplear para hacer funcionar máquinas y vehículos o para generar
electricidad en grupos electrógenos o turbinas, y el calor puede usarse en proceso
industriales, para el acondicionamiento del hábitat humano, animal o vegetal, y para la
generación de electricidad.

La obtención o adecuación para el uso de los combustibles procedentes de la biomasa
lignocelulósica, ya sea residual o no, requiere casi siempre de tratamientos físicos,
químicos o biológicos, y entre éstos están:

• El secado para eliminar la humedad.
• La combustión incompleta para producir carbón vegetal.
• La fermentación alcohólica.
• La producción de biogás.
• La gasificación para obtener gas pobre (CO, H2, N2), o gas de síntesis (CO, H2).
• La pirólisis para obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Las características estructurales y bioquímicas, según la procedencia de cada tipo de
biomasa y el análisis de las necesidades de nuestros procesos industriales o domésticos,
condicionan cuáles pueden ser las tecnologías para un aprovechamiento óptimo, siempre
teniendo en cuenta la realización de una evaluación del impacto ambiental si lo hubiere.

En el proceso de aprovechamiento energético, aparecen también productos o subproductos
con valor añadido, es el caso de la producción de compost utilizando el residuo sólido de la
36

fermentación alcohólica o la digestión anaerobia. En general, se trata de no consumir más
biomasa de la que se regenera como residuo o como producto de la intervención humana, y
no retirar del medio la biomasa necesaria para mantener los nutrientes y las características
estructurales de los suelos, ya sean naturales o generados por la acción agrícola humana.

IV. 1. Los cultivos energéticos
No toda la biomasa lignocelulósica aprovechable para la generación de energía tiene que
ser residual. Podemos cultivar plantas con el único fin de generar energía, por combustión
directa, o mediante su densificación o su transformación en “biocombustibles”, son los
llamados “cultivos energéticos”.

Los cultivos energéticos podrían aprovechar las tierras agrícolas no aptas para la
producción de alimentos, para la siembra de variedades vegetales de muy alta producción
de biomasa expresada en toneladas por hectárea por año, con bajas demandas de agua y
nutrientes y alta resistencia a enfermedades.

Considerando el estado físico de los derivados de origen agrario con potencial
aprovechamiento energético cabe distinguir:

• Los que se encuentran en estado sólido, como la biomasa lignocelulósica, apropiados
para producir calor mediante combustión directa en calderas, lo que permite utilizarlos
en desecación y/o en generación de vapor, con una relación energética global
(salida/entrada) que llega a ser mayor de 3.
• Obtenidos en estado líquido, que pueden ser utilizados como carburantes de los motores
de combustión interna, adaptándose al estado actual de la técnica, tanto en los de
encendido por compresión como por chispa, como son los aceites vegetales con
diferentes grados de transformación y los alcoholes obtenidos por destilación.
• Según el tipo de carburante obtenido y la técnica de transformación utilizada, la relación
energética global, incluyendo la valoración energética de los subproductos, alcanza
valores entre 2 y 2,5.
37

• Los que se obtienen en forma gaseosa por pirólisis y gasificación de la biomasa
lignocelulósica que permiten producir un gas con una relación energética global de 2,7 a
2,9 o por fermentación anaerobia de la biomasa obteniéndose un gas con una relación
energética global superior a 2.

El establecimiento de plantaciones con fines energéticos puede considerarse un
procedimiento renovable, ya que en los procesos de combustión se devuelve a la atmósfera
sólo aquel CO2 que las propias plantas han retirado de la misma para su crecimiento.
Evidentemente, esto no es óbice para evaluar previamente el impacto ambiental sobre el
ecosistema y sobre la socioeconomía de la zona al cambiar las especies de cultivo.

La consideración de renovable de la tecnología de aprovechamiento de los cultivos
energéticos, sólo puede darse si la biomasa obtenida y consumida es tal que se regenera a la
misma velocidad con la que se extrae, y se extrae en una cantidad que no afecta a la
estructura y composición de los suelos. Las líneas de investigación, y los actuales
desarrollos tecnológicos van encaminados principalmente al establecimiento de métodos de
cultivo de especies, y de técnicas extractivas de las que se puedan obtener los
biocombustibles.

En el balance global, es necesario comprobar que la energía extraída sea mayor que la
consumida en todo el proceso de cultivo, más la necesaria para las manipulaciones
anteriores y posteriores al mismo, incluyendo la fabricación y costo de fertilizantes,
agroquímicos, agua y otros insumos.

IV. 2. Biorefinerías
El desarrollo y puesta en marcha de los cultivos energéticos puede dar lugar a la creación
de diferentes “agroindustrias” o biorefinerías, como los complejos agroeléctricos, las
biodestilerías, la generación de biocombustibles y los complejos de producción de
diferentes materiales como papel y cartón, polímeros, derivados de la celulosa y la lignina y
productos para la industria química.

En el primer caso, se trata de crear industrias productoras de electricidad en centrales
térmicas alimentadas con biomasa producida en sus inmediaciones. Para esta finalidad se
requiere un tipo de biomasa de muy bajo costo con alto rendimiento por unidad de
superficie. La biomasa lignocelulósica producida con especies leñosas de crecimiento
rápido o con herbáceas perennes de alta producción parece ser la más adecuada para ello.

En cuanto a los biocombustibles, se pueden considerar dos alternativas, tomando en
consideración los tipos de motores más difundidos en el mercado. La de los biocarburantes
para los motores de encendido por chispa, y la de los biocarburantes para los motores de
encendido por compresión o Diesel.

En el caso de los complejos productivos, la base puede ser la industria de celulosa y papel,
con un concepto más flexible, en los que se produciría además de celulosa y papel,
diferentes productos químicos y derivados. La energía necesaria sería obtenida a partir de la
propia biomasa, incluyendo la cogeneración y entrega de electricidad a la red.

Figura 16. La Biorefinería

IV. 3. El aprovechamiento energético de la biomasa y las emisiones de CO2
Dado que la biomasa (residual o no) proviene de la fotosíntesis, el dióxido de carbono
emitido por su combustión viene y vuelve a la atmósfera. A diferencia de la quema de
combustibles fósiles; éstos liberan a la atmósfera cantidades de dióxido de carbono que ya
no pertenecían al ciclo atmosférico, sino al geológico, provocando un aumento de la
concentración del dióxido decarbono presente en la atmósfera.

Por lo tanto, la sustitución de combustibles fósiles por biomasa no sólo no produce más
emisiones de dióxido de carbono, sino que tiene un efecto levemente captador de éste, ya
que no todo el dióxido de carbono capitalizado por las plantas en forma de biomasa es
devuelto luego a la atmósfera en su combustión (como es el caso de las raíces de árboles y
otros cultivos, que no son usados como recurso energético).

De modo que, desde esta perspectiva, el dióxido de carbono pasa de ser un elemento
contaminante contra el que luchar a ser una riqueza potencialmente explotable en nuestro
beneficio.

Otro importante aspecto que se vería favorecido por una generalización en el
aprovechamiento de la biomasa sería el derivado de la reforestación de grandes áreas, con
los consiguientes beneficios en cuanto a retención de agua por el terreno, disminución de la
degradación y erosión del suelo, y la posibilidad de dar a los bosques así creados un uso
general para esparcimiento y recreo.

De manera que, dentro de las energías renovables, la biomasa, además de tener las
características generales de todas éstas, puede llegar a ser un instrumento eficaz para luchar
contra el cambio climático; particularmente en el control del dióxido de carbono y el efecto
invernadero. En cualquier caso, el 15% de la energía consumida actualmente en el mundo
procede de esta fuente. Sin embargo, la mayor parte se obtiene ineficientemente, sobre todo
en países en desarrollo.

La biomasa tiene menos poder calorífico que el carbón y prácticamente nada de azufre.
Tiene más compuestos volátiles, lo cual le hace gasificar mejor, y más humedad, por lo que
el tiempo de residencia en la reacción es mayor.

Durante su combustión, la generación de óxidos de nitrógeno suele ser muy baja. Dada la
pequeña cantidad de azufre en su composición, la cantidad de dióxido de azufre liberada en
la combustión está por debajo de los controles más exigentes.

Las emisiones de la combustión de la biomasa más problemáticas son las partículas (PM10),
los compuestos volátiles orgánicos (VOC·s) y las sustancias tóxicas (en los residuos sólidos
urbanos). Las PM10 pueden reducirse utilizando filtros adecuados o por precipitación
electrostática. Los VOC·s son responsables de la formación de ozono junto con la luz y la
temperatura. Todos ellos pueden tener consecuencias negativas para la salud y los
ecosistemas.

La extracción y utilización del metano, originado en los vertederos y en los digestores
anaerobios de residuos ganaderos y aguas residuales, impiden que sea liberado a la
atmósfera, contribuyendo de manera importante al efecto invernadero. Del mismo modo, si
los residuos agrícolas y forestales se quemasen a cielo abierto, se liberarían a la atmósfera
diez veces más PM10, VOC·s y compuestos orgánicos que si fuesen quemados en una planta
para obtención de electricidad.

Como ya se ha mencionado, la cantidad de dióxido de carbono liberada durante la
combustión de la biomasa es, como mucho, igual a la que absorbe durante su etapa de
crecimiento en el proceso de la fotosíntesis. Por tanto la eliminación neta de dióxido de
carbono en el aprovechamiento energético de la biomasa es, en el peor de los casos, de
valor cero, aunque, normalmente, la biomasa tiene un efecto sumidero del dióxido de
carbono a largo plazo.

Los vertederos de Residuos sólidos urbanos (RSU) y los residuos del ganado en
explotaciones intensivas, si no son convenientemente procesados para su aprovechamiento
41

energético, contaminan las aguas superficiales debido a los lixiviados a que dan origen,
produciendo en los ríos un aumento de la demanda biológica de oxígeno (DBO) y por tanto,
la desaparición de la vida en los mismos. El problema puede evitarse por medio de
digestores anaerobios con los que se obtiene biogás (Metano), que puede utilizarse PM10
para la generación de electricidad. En ambos casos, el aprovechamiento energético de los
residuos reduce la contaminación de las aguas.

La utilización de la tierra para cultivos energéticos presenta una serie de incertidumbres por
el impacto que puede ocasionar. En primer lugar, existe una preocupación respecto a la
utilización de agua para estos cultivos, que podría competir con los cultivos alimentarios
tradicionales.

El efecto de la utilización de la biomasa sobre el suelo es diferente según sea su origen y el
proceso de transformación de la misma.

En el caso de los cultivos energéticos, el problema de la erosión emerge como uno de los
más importantes. Los periodos más críticos son la siembra y la recolección; sin embargo,
los cultivos energéticos tienen ciclos más largos: los árboles se suelen cortar cada cinco o
diez años; en los herbáceos, se trata de utilizar especies que rebroten después de su corte.
Por lo tanto, los cultivos energéticos tienen un impacto sobre la erosión del suelo menor
que los cultivos tradicionales.

En cuanto a los residuos agrícolas, se sabe que la permanencia de una pequeña porción de
residuos en el suelo le proporciona mayor capacidad de retención de nutrientes y de agua,
además de reducir ligeramente la erosión. Sin embargo, si se dejan demasiados residuos en
el suelo, pueden reducir la producción al disminuir la temperatura del mismo. Los residuos
agrícolas reducen también la formación de nitratos, y pueden albergar microorganismos
productores de infecciones en futuras cosechas.

Otro posible impacto del uso de la biomasa es el de las cenizas. La biomasa agrícola tiene
mucha menor cantidad de cenizas que el carbón. Sin embargo, estas cenizas originadas en
42

la combustión de la biomasa agrícola o cultivos energéticos pueden utilizarse como
regeneradores de suelos ácidos en agricultura y silvicultura y son completamente inocuas.

Las ventajas de los cultivos energéticos son las siguientes (Lynd L.R. 2003): El
mantenimiento de actividades agrícolas en las zonas rurales, conservando el carácter
específico de éstas; la eliminación de los subsidios agrarios y de paro; el restablecimiento
de ecosistemas; la disminución del éxodo rural; la producción y generación de energía en el
propio país que revierte en la propia economía con beneficios directos sobre ésta, incluidos
los impuestos generados; el desarrollo de tecnologías y la creación de nuevas industrias; y
la disminución del riesgo en el suministro de combustibles.

Este riesgo puede ser un incremento incontrolable de los precios del combustible, una
interrupción en el suministro exterior o cambios futuros en la regulación. Por ello, cada vez
más, existe la preocupación de lograr una diversidad en el suministro de combustible y no
depender exclusivamente de uno o de muy pocos. El caso más claro es el del petróleo, para
el sector del transporte.

V. Bioetanol

V. 1. El bioetanol
Se denomina bioetanol al obtenido a partir de fuentes de biomasa vegetal; mieles y jugos
ricos en sacarosa de fábricas azucareras, productos ricos en almidón y a partir de materiales
lignocelulósicos. No se incluye al etanol obtenido por vía petroquímica y a partir del gas
natural.

Cualquier material que contenga azúcares o hidratos de carbono fermentables, almidón,
celulosa o hemicelulosas, puede servir como materia prima para la obtención de etanol. Las
materias primas se clasifican en tres grupos: azucaradas, amiláceas (cereales, tubérculos,…)
y lignocelulósicas, (maderas, plantas anuales).

Desde inicios del siglo XX, se comenzó a emplear el etanol obtenido de la caña de azúcar o
del maíz en mezclas con la gasolina en los motores de combustión interna de forma
coyuntural, en especial en períodos de guerra. En Cuba se hizo famoso el término
“MOFUCO”, nombre comercial de una mezcla de etanol y gasolina empleada en
automóviles de la firma “Motor fuel company”. El término se quedóen el vocabulario
popular para referirse a las bebidas alcohólicas de baja calidad o de manufactura casera.

Figura 17.

Brasil, desde los años 70, comenzó un programa dirigido a la sustitución parcial o total de
la gasolina por etanol anhidro, el cual tuvo sus altibajos de acuerdo a las fluctuaciones del
precio del petróleo. El etanol proporciona características antidetonantes, por lo que mejora
el índice de octano de la gasolina y es un efectivo sustituto del tetraetil plomo y el
Metilterbutil éter (MTBE). El aumento del índice de octano, permite aumentar la relación
de compresión de los motores para conseguir mejores rendimientos en la transformación de
energía química a energía mecánica. Otra ventaja del uso del etanol es la disminución de las
emisiones de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, e hidrocarburos volátiles.

El proceso general de transformación de la glucosa en etanol (fermentación alcohólica)
mediante microorganismos u enzimas, se puede resumir en la ecuación siguiente:

C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2

2ADP -> 2ATP
44

V. 2. Fuentes de obtención del bioetanol
El etanol a partir de azúcares, es conocido desde los albores de la humanidad (vinos y otras
bebidas fermentadas) y en la actualidad se produce con una alta eficiencia y grandes
volúmenes, en especial desde el empleo del etanol anhidro como aditivo o combustible
automotor.

La producción de etanol a partir de granos es muy criticada por sus implicaciones éticas al
convertir alimentos en combustibles para automóviles y su efecto en el incremento en la
poca disponibilidad e incrementos en el precio de los granos. El proceso se basa en la
cocción, hidrólisis y fermentación de los almidones que contienen.

En el mundo se llevan a cabo gran cantidad de estudios y proyectos para desarrollar la
producción a escala comercial de etanol a partir de biomasa lignocelulósica. Los materiales
que más se han investigado son la madera y los residuos forestales, papel reciclado y
residuos de la industria papelera, bagazo de caña, desechos agrícolas (hojas, ramas, hierba,
frutas, paja, etc.) así como residuos sólidos urbanos.

El etanol obtenido de biomasa lignocelulósica, (presentes en todos los vegetales en una
estructura compuesta fundamentalmente de celulosa, hemicelulosas y lignina), consiste en
la hidrólisis de la celulosa (a glucosa) y de las hemicelulosas a xilosa y otros azúcares y
posterior fermentación a etanol.

Los procesos a partir de los tres tipos de materias primas se muestran en la figura 18.
45

Figura 18. Fuentes de obtención de etanol

V. 3. Procesos de obtención de bioetanol

1. Fermentación de azúcares
Es el proceso tradicional, su eficiencia actual es alta por las mejoras tecnológicas
realizadas.

La materia prima de mejores características es la caña de azúcar, ya que el proceso puede
ser autosuficiente energéticamente e incluso aportar energía eléctrica a la red. Su
crecimiento estará limitado por la disponibilidad de mieles y azúcar.

Se ha estimado un valor de 8 para la relación salida/entrada entre la energía liberada
durante la combustión de etanol y la energía necesaria para su producción a partir de mieles
y azúcar de caña, considerando todo el ciclo de vida del producto desde la extracción de las
materias primas y los insumos requeridos, pasando por su transporte, hasta el proceso de
transformación hasta etanol. (Berg, 2001). Esta es la relación más alta entre todos los
procesos.

BIOMASA
AMILÁCEA
BIOMASA
AZUCARADA
Pretratamiento
mecánico
Pretratamiento
mecánico
Pretratamiento
mecánico
ETANOL
ETANOL
Destilación
Fermentación
Fermentación
Destilación Cocción
Hidrólisis
Hidrólisis
Hidrólisis
enzimática
Hidrólisis
enzimática
ácida
y fermentación
simultánea
ETANOLDestilación Fermentación

BIOMASA
LIGNOCELU
LÓSICA
46

2. Etanol de granos
La producción de etanol a partir de granos está muy cuestionada por sus implicaciones
éticas al convertir alimentos en combustibles para automóviles. La relación salida/entrada
entre la energía liberada durante la combustión de etanol y la energía necesaria para su
producción es de 1,1-1,2 (Prakash et al., 1998) lo que hace que en los procesos más
eficientes prácticamente se emplea en su obtención la misma energía que la que se puede
obtener del etanol posteriormente.

En los casos del empleo de cultivos ricos en almidón como trigo, maíz y otros, el proceso
consiste en general de los pasos siguientes (Ballesteros I. 1998):

1. Molida de los granos
2. Liquefacción del maíz con vapor y α-amilasa a 90-120 oC
3. Sacarificación del macerado con glucoamilasa a 60 oC
4. Fermentación de los azúcares con levadura
5. Destilación del fermentado a etanol crudo (45% v/v)
6. Rectificación a 96% v/v
7. Deshidratación a 99.9% con tamices moleculares.

En el caso del maíz, los residuales del proceso se están empleando en la obtención de un
concentrado proteico para la alimentación animal.

VI. Obtención de etanol por vía bioquímica a partir de materiales
lignocelulósicos

La composición de los materiales lignocelulósicos, constituidos por celulosa (con zonas
cristalinas y amorfas), hemicelulosas y lignina, en una estructura compleja y difícil de
penetrar y atacar por agentes químicos, requieren de un pretratamiento para “romper” esa
estructura y facilitar los procesos posteriores (Galbe, 1993; Galbe, 1997; Macmillan, 1997).

Teniendo en cuenta estas características, los procesos empleados para la obtención de
etanol, tienen que ajustarse de acuerdo a las características y propiedades de estos
componentes y requerir en general de varias etapas como pretratamiento, detoxificación y
otras (Bothast, 1999; Gardner, 1974). .

La celulosa y hemicelulosas, deben ser hidrolizadas a azúcares simples, para luego ser
fermentados a etanol (Cowling, 1975). La fermentación de la glucosa hidrolizada a partir de
la celulosa es un proceso establecido. Sin embargo, la fermentación de las pentosas
hidrolizadas de las hemicelulosas, es un proceso que presenta en la actualidad algunas
dificultades técnico económicas (Cowling, 1976; Thompson, 1983; Wilkie, 1979).

La lignina, es un polifenol y no puede ser fermentada a etanol, así como los extractivos y
otros componentes presentes (Kirk, 1977; Nimz, 1981; Wallace, 1989; Van Soest, 1982).
La lignina además produce un efecto inhibidor en los procesos fermentativos, por lo que
cualquier proceso viable de obtención de etanol a partir de biomasa lignocelulósica, tiene
que incluir la extracción de la lignina y su aprovechamiento en la obtención de productos
de valor y/o generación de energía (Adler, 1977).

Esta situación crea un problema adicional, ya que un proceso donde se produzcan varios
productos, requiere tener un mercado seguro para todos, a fin de evitar acumulaciones de
uno de ellos o crear un nuevo residual (Szczodrak, 1996).

La lignina es fuente de una gran cantidad de productos de gran valor agregado, así como
una posible fuente de energía que pudiera emplearse total o parcialmente en cubrir las
demandas energéticas de una planta productora de etanol a partir de biomasa (Triana,
1990).

La relación salida/entrada entre la energía liberada durante la combustión de etanol y la
energía necesaria para su producción a partir de residuos lignocelulósicos es de 6, un poco
48

menor que la del proceso con azúcares y mieles, pero muy superior a la de granos (Van
Zessen et al., 2003).

En la figura se muestra el proceso general de obtención de etanol a partir de biomasa
lignocelulósica por vía bioquímica (Zaldivar, 2001).

Figura 19. Etanol de biomasa lignocelulósica

VI. 1. Pretratamiento
La etapa distintiva de este procesoes el pretratamiento, que consiste en las operaciones de
recolección, transporte y manipulación, almacenamiento, molida o astillado y otras, para
reducir el tamaño de las partículas, lograr la apertura del material fibroso, convertirlo en
una suspensión que se pueda bombear y facilitar la posterior penetración de los agentes
químicos de hidrólisis (Muzzy, 1983).

Incluye también un tratamiento termoquímico, con el fin de lograr un ablandamiento de la
lignina y las hemicelulosas que facilite el posterior ataque de las enzimas o
microorganismos (Millet, 1975).

Casi todos los métodos de pretratamiento se basan en tecnologías empleadas en la segunda
mitad del siglo XX en la industria de celulosa y papel.

De acuerdo con Lynd (1996), un pretratamiento ideal, debe cumplir con los requisitos
siguientes:
• Producir fibras reactivas
• Separar las pentosas sin degradarlas
• No generar compuestos que inhiban la fermentación
Pretratamiento Hidrólisis Fermentación Destilación
Etanol
Biomasa
lignocelulósica
49

• No requerir una reducción drástica del tamaño de partículas
• Empleo de reactores de tamaño razonable y costo moderado
• No generar residuales sólidos
• Proceso simple
• Efectivo a bajos contenidos de humedad

Para el pretratamiento se han propuesto y desarrollado diferentes métodos, los cuales se
relacionan en la Tabla 3 .

Tabla 3. Métodos empleados para el pretratamiento de la biomasa lignocelulósica
para la obtención de etanol (Sund y Cheng 2002, Yu y Zhang, 2003 Söderström et al.
2003, Lynd et al. 2002. Laser et al. 2002.)
Métodos Observaciones
Físicos
Pulverizado mecánico • Molida en molinos de bolas (0,2 a 2,0 mm), de cuchillas o martillos.(3
a 6 mm). Residuos de maderas, maíz, bagazo de caña y pajas.
Pirólisis • T>3000C Hidrólisis con H2SO4 1N, 970C 2,5 h de los resíduos
Maderas y residuos de algodón
Químicos
Ácidos diluidos
•Acuosa
•Sulfúrico
• Ácidos orgánicos
• Efectivo para residuos agrícolas
• Menos eficiente para maderas y cultivos energéticos.
• Problemas de corrosión
Explosión con vapor
• Catalizada con
ácidos
• Explosión con
amoniaco (AFEX)
• Se emplea H2SO4 , SO2 y CO2 como catalizador
• Es el proceso más empleado
• Funciona bien con astillas de maderas duras, menos con suaves
• Altos consumos de energía con maderas.
• El AFEX no genera inhibidores
Agua líquida caliente
LHW
• Agua 170-2300C, a presión, 1-46 min. Hidrólisis de >80% de
hemicelulosas y algo de celulosa. Concentración de sólidos <20%.
Aplicado a bagazo de caña.
Organosolv • Preferido para fraccionar biomasa
• Efectivo con maderas y residuos
• Extrae lignina de gran calidad
• Es un proceso caro
Bisulfito (ácido) • Se emplea en maderas (astillas) y residuos, a 160-180°C y pH 2-5,
30 minutes, y molida en refinador de discos.
Ozono • Se realiza a temperatura ambiente y presión atmosférica.
• No genera inhibidores.
Alcalinos • Semejantes a los procesos de pulpeo empleados en la Industria del
papel.

Se reporta también, (US Pat. 6333181) un método para mejorar la etapa de degradación de
la lignocelulosa, en el proceso de obtención de etanol, mediante un tratamiento previo del
material con ultrasonido. Este tratamiento reduce las demandas de celulasa de un 33-50%,
las cuales constituyen el elemento de mayor costo en el proceso.

Sin embargo, ninguno de los métodos de pretratamiento propuestos se puede aplicar en
forma genérica a las diferentes materias primas (Claassen et al., 1999). Esto justifica la
realización de análisis detallados de estas tecnologías en cada caso particular. La síntesis de
procesos puede aportar las herramientas necesarias para descartar en forma preliminar las
opciones con menos perspectivas, teniendo en cuenta nuevos procedimientos, esquemas y
alternativas que se planteen en la etapa de diseño.

Las etapas de pretratamiento e hidrólisis, constituyen unos de los principales problemas
vinculados a la producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica. El complejo
lignocelulósico está compuesto principalmente de una matriz de carbohidratos compuesta
de celulosa y lignina enlazada por cadenas de hemicelulosa.

Los pretratamientos Físicos y Físico-Químicos, tienen como objetivo desintegrar esta
matriz de tal manera que la celulosa reduzca al máximo su grado de cristalinidad y aumente
la celulosa amorfa, que es la más adecuada para el posterior ataque enzimático.
Adicionalmente, la mayor parte de la hemicelulosa se hidroliza durante el pretratamiento y
la lignina se libera o puede incluso descomponerse.

En una etapa posterior, la celulosa liberada se somete a hidrólisis enzimática con celulasas
exógenas, lo cual hace que se obtenga una solución de azúcares fermentables que contiene
principalmente glucosa, así como pentosas resultantes de la hidrólisis inicial de la
hemicelulosa.

Estos azúcares son posteriormente convertidos a etanol mediante microorganismos que
pueden utilizar uno o varios de los azúcares presentes en el material lignocelulósico
pretratado e hidrolizado. Este complejo proceso puede ser representado por las reacciones:

Figura 20. Conversión de glucosa y xilosa en etanol

El pretratamiento permite que los rendimientos en la hidrólisis de celulosa aumenten de
menos del 20% de los rendimientos teóricos a valores mayores al 90% (Lynd, 1996).

La explosión con vapor (Steam explosion) es el método más empleado para el
pretratamiento de los materiales lignocelulósicos (McMillan, 1994). En este método, la
biomasa preparada adecuadamente se somete a vapor a altas temperatura y presión y
posteriormente se realiza una descompresión rápida, lo que provoca la explosión del tejido
celular y la separación de sus componentes en determinada extensión, lo que facilita la
posterior hidrólisis. (Sun y Cheng, 2002). La adición de H2SO4, SO2, CO2 mejora la
hidrólisis posterior. (Morjanoff y Gray, 1987).

La explosion con vapor consume un 70% menos energía que los tratamientos mecánicos
(Holtzapple 1989).Su principal desventaja es la formación de inhibidores de la
fermentación. (Mackie, 1985).

Otro proceso de pretratamiento es la Explosión con amoniaco (Ammonia fiber explosion
AFEX). En este proceso, el material se somete al ataque de amoniaco líquido a altas
temperatura y presión y posteriormente se realiza una descompresión rápida, semejante a la
explosión con vapor, provocando una rápida sacarificación del material lignocelulósico. Se
ha aplicado a diferentes residuos agrícolas. (Mes-Hartree et al., 1988; Vlasenko et al., 1997;
Holtzapple et al. 1992; Reshamwala et al. 1995; Tengerdy y Nagy, 1988; Holtzapple et al.,
1991). Este proceso no genera inhibidores de la fermentación (Dale et al., 1984; Mes-
Hartree et al., 1988), ni requiere de partículas de pequeño tamaño para el proceso
(Holtzapple et al., 1990). Otras ventajas de este proceso consisten en la posibilidad de
reciclar el amoniaco por su volatilidad (Wyman et al., 2005a). El amoniaco rompe la
cristalinidad de la celulosa. (Gollapalli et al., 2002; Mitchell et al., 1990).

También se usa la explosión con CO2. El rendimiento es menor que en los dos casos
anteriores, pero mayor que en la hidrólisis enzimática sin pretratamiento. (Dale y Moreira,
1982; Zheng et al. 1998).

El ozono también se puede emplear para el pretratamiento de materiales lignocelulósicos.
(Ben-Ghedalia and Miron, 1981; Neely, 1984; Ben-Ghedalia and Shefet, 1983; Vidal y
Molinier, 1988). El pretratamiento con ozono tiene la ventaja de realizarse a temperatura
ambiente y presión atmosférica y no genera inhibidores (Vidal y Molinier, 1988).

Para la hidrólisis ácida, se han empleado ácidos sulfúrico y clorhídrico concentrados, con la
desventaja de ser tóxicos y corrosivos. Además deben recuperarse para hacer el proceso
económicamente viable. (Sivers y Zacchi,