El etanol celulósico es el etanol producido a partir de la celulosa en lugar de las semillas o frutos de la planta. Se puede producir a partir de hierbas, madera, algas u otras plantas. Generalmente, se habla de su uso como biocombustible. El dióxido de carbono que absorben las plantas a medida que crecen compensa parte del dióxido de carbono emitido cuando se quema el etanol producido a partir de ellas, por lo que el combustible de etanol celulósico tiene el potencial de tener una huella de carbono más baja que los combustibles fósiles.
El interés en el etanol celulósico está impulsado por su potencial para reemplazar el etanol de maíz o caña de azúcar. Dado que estas plantas también se utilizan para productos alimenticios, desviarlas para la producción de etanol puede hacer que aumenten los precios de los alimentos. Las fuentes a base de celulosa, por otro lado, generalmente no compiten con los alimentos, ya que las partes fibrosas de las plantas en su mayoría no son comestibles para los humanos. Otra ventaja potencial es la gran diversidad y abundancia de fuentes de celulosa: pastos, árboles y algas. Incluso los componentes de los desechos sólidos urbanos, como el papel, podrían posiblemente convertirse en etanol. Su principal desventaja actual es su alto costo de producción, que es más complejo y requiere más pasos que el etanol a base de maíz o caña de azúcar.
El etanol celulósico recibió una atención significativa en la década de 2000 y principios de 2010, cuando el gobierno de los Estados Unidos financió la investigación sobre su comercialización y estableció objetivos para la proporción de etanol celulósico agregado al combustible para vehículos. Un gran número de nuevas empresas especializadas en etanol celulósico, además de muchas empresas existentes, invirtieron en plantas de producción a escala piloto. Sin embargo, la fabricación mucho más barata de etanol a base de granos, junto con el bajo precio del petróleo en la década de 2010, significó que el etanol celulósico no fuera competitivo con estos combustibles establecidos. Como resultado, la mayoría de las nuevas refinerías se cerraron a mediados de la década de 2010 y muchas de las empresas recién fundadas se declararon insolventes.
Descripción El etanol celulósico es un tipo de biocombustible producido a partir de la lignocelulosa, un material estructural que constituye gran parte de la masa de las plantas y está compuesto principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Las fuentes populares de lignocelulosa incluyen: productos de desecho agrícolas (por ejemplo, rastrojo de maíz o astillas de madera), pastos como el pasto varilla y especies de miscanthus. Estas materias primas para la producción de etanol tienen la ventaja de ser abundantes y diversas y no competirían con la producción de alimentos, a diferencia de los azúcares de caña y maíz más utilizados. Sin embargo, también requieren más procesamiento para que los monómeros de azúcar estén disponibles para los microorganismos que normalmente se utilizan para producir etanol por fermentación, lo que eleva el precio del etanol derivado de la celulosa.
El etanol celulósico puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 85 % con respecto a la gasolina reformulada. Por el contrario, el etanol de almidón (por ejemplo, del maíz), que con mayor frecuencia utiliza gas natural para proporcionar energía para el proceso, puede que no reduzca las emisiones de gases de efecto invernadero en absoluto, dependiendo de cómo se produzca la materia prima a base de almidón. Según la Academia Nacional de Ciencias en 2011, no existe una biorrefinería comercialmente viable para convertir la biomasa lignocelulósica en combustible. La ausencia de producción de etanol celulósico en las cantidades requeridas por la regulación fue la base de una decisión de la Corte de Apelaciones de los Estados Unidos para el Circuito del Distrito de Columbia anunciada el 25 de enero de 2013, que anuló un requisito impuesto a los productores de combustible para automóviles y camiones en los Estados Unidos por la Agencia de Protección Ambiental que requiere la adición de biocombustibles celulósicos a sus productos. Estos problemas, junto con muchos otros desafíos de producción difíciles, llevaron a los investigadores de políticas de la Universidad George Washington a afirmar que "... en el corto plazo, el etanol [celulósico] no puede cumplir con los objetivos ambientales y de seguridad energética de una alternativa a la gasolina".
Historia En 1819, el químico francés Henri Braconnot descubrió que la celulosa podía hidrolizarse en azúcares, tratándola con ácido sulfúrico. El azúcar hidrolizado se podía fermentar para producir etano. La primera producción de etanol comercializado comenzó en Alemania en 1898, donde se usaba ácido para hidrolizar la celulosa. En los Estados Unidos, la Standard Alcohol Company abrió la primera planta de producción de etanol celulósico en Carolina del Sur en 1910. Más tarde, se abrió una segunda planta en Luisiana. Sin embargo, ambas plantas fueron cerradas después de la Primera Guerra Mundial por razones económicas.
El primer intento de comercializar un proceso de etanol a partir de madera se realizó en Alemania en 1898. Involucró el uso de ácido diluido para hidrolizar la celulosa a glucosa y pudo producir 7,6 litros de etanol por cada 100 kg de residuos de madera ( por tonelada). Los alemanes pronto desarrollaron un proceso industrial optimizado para rendimientos de alrededor de por tonelada de biomasa. Este proceso pronto llegó a los EE. UU. y culminó en dos plantas comerciales que operaron en el sureste durante la Primera Guerra Mundial. Estas plantas utilizaron lo que se llamó "el Proceso Americano": una hidrólisis de ácido sulfúrico diluido de una etapa. Aunque los rendimientos eran la mitad que los del proceso alemán original ( de etanol por tonelada versus 50), el rendimiento del proceso estadounidense fue mucho mayor. Una caída en la producción de madera obligó a las plantas a cerrar poco después del final de la Primera Guerra Mundial. Mientras tanto, una cantidad pequeña pero constante de investigación sobre la hidrólisis ácida diluida continuó en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS. Durante la Segunda Guerra Mundial, EE. UU. volvió a recurrir al etanol celulósico, esta vez para convertirlo en butadieno para producir caucho sintético. Se contrató a Vulcan Copper and Supply Company para construir y operar una planta para convertir aserrín en etanol. La planta se basó en modificaciones del proceso Scholler alemán original desarrollado por el Laboratorio de Productos Forestales. Esta planta logró un rendimiento de etanol de por tonelada seca, pero todavía no era rentable y se cerró después de la guerra.
Con el rápido desarrollo de las tecnologías enzimáticas en las últimas dos décadas, el proceso de hidrólisis ácida ha sido reemplazado gradualmente por la hidrólisis enzimática. Se requiere un pretratamiento químico de la materia prima para hidrolizar (separar) la hemicelulosa, de modo que pueda convertirse en azúcares de manera más efectiva. El pretratamiento con ácido diluido se desarrolla sobre la base de los primeros trabajos sobre la hidrólisis ácida de la madera en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS. El Laboratorio de Productos Forestales junto con la Universidad de Wisconsin-Madison desarrollaron un pretratamiento con sulfito para superar la obstinación de la lignocelulosa para una hidrólisis enzimática robusta de la celulosa de la madera.
En su Discurso sobre el Estado de la Unión de 2007, el 23 de enero de 2007, el presidente de los Estados Unidos, George W. Bush, anunció un mandato propuesto para 35 mil millones de galones (130×109 L) de etanol para 2017. Más tarde ese año, el Departamento de Energía de los Estados Unidos otorgó $385 millones en subvenciones destinadas a impulsar la producción de etanol a partir de fuentes no tradicionales como astillas de madera, pasto varilla y cáscaras de cítricos.
Métodos de producción Las etapas para producir etanol utilizando un enfoque biológico son:
Una fase de "pretratamiento" para hacer que el material lignocelulósico, como la madera o la paja, sea susceptible de hidrólisis. Hidrólisis de celulosa (celulólisis) para descomponer las moléculas en azúcares Fermentación microbiana de la solución de azúcar. Destilación y deshidratación para producir alcohol puro.
En 2010, se desarrolló una cepa de levadura modificada genéticamente para producir sus propias enzimas digestivas de celulosa.
Aunque la lignocelulosa es el recurso material vegetal más abundante, su usabilidad se ve limitada por su estructura rígida. Como resultado, se necesita un pretratamiento efectivo para liberar la celulosa del sello de lignina y su estructura cristalina para hacerla accesible para un paso de hidrólisis posterior. Para lograr una mayor eficiencia, se requieren tratamientos previos tanto físicos como químicos.
El pretratamiento físico consiste en reducir el tamaño de las partículas de biomasa mediante métodos de procesamiento mecánico, como la molienda o la extrusión. El pretratamiento químico despolimeriza parcialmente la lignocelulosa para que las enzimas puedan acceder a la celulosa para las reacciones microbianas.
Las técnicas de pretratamiento químico incluyen hidrólisis ácida, explosión de vapor, expansión de fibra de amoníaco, organosolventes, pretratamiento con sulfito, fraccionamiento de SO2-etanol-agua, oxidación húmeda alcalina y pretratamiento con ozono. Además de una liberación efectiva de celulosa, un pretratamiento ideal debe minimizar la formación de productos de degradación porque pueden inhibir los pasos posteriores de hidrólisis y fermentación. La presencia de inhibidores complica aún más y aumenta el costo de producción de etanol debido a los pasos de desintoxicación requeridos. Por ejemplo, aunque la hidrólisis ácida es probablemente la técnica de pretratamiento más antigua y más estudiada, produce varios inhibidores potentes, incluidos el furfural y el hidroximetilfurfural. La expansión de fibra de amoníaco (AFEX) es un ejemplo de un pretratamiento prometedor que no produce inhibidores.
La mayoría de los procesos de pretratamiento no son efectivos cuando se aplican a materias primas con alto contenido de lignina, como la biomasa forestal. Estos requieren enfoques alternativos o especializados. Los procesos Organosolv, SPORL ('pretratamiento con sulfito para superar la recalcitrancia de la lignocelulosa') y SO2-etanol-agua (AVAP®) son los tres procesos que pueden lograr más del 90% de conversión de celulosa para biomasa forestal, especialmente de especies de madera blanda. SPORL es el proceso más eficiente energéticamente (producción de azúcar por unidad de consumo de energía en el pretratamiento) y robusto para el pretratamiento de biomasa forestal con una producción muy baja de inhibidores de fermentación. La pulpa organosolv es particularmente efectiva para maderas duras y ofrece una fácil recuperación de un producto de lignina hidrofóbica por dilución y precipitación. </ref> El proceso AVAP® fracciona de forma eficaz todos los tipos de lignocelulósicos en celulosa limpia de alta digestibilidad, azúcares de hemicelulosa no degradados, lignina reactiva y lignosulfonatos, y se caracteriza por una recuperación eficaz de los productos químicos.
Procesos celulolíticos La hidrólisis de la celulosa (celulólisis) produce monosacáridos mediante ácidos o reacciones enzimáticas (celulasas).
Hidrólisis química