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La generación de alternativas energéticas a partir de biomasa residual puede contribuir a la conservación del medio ambiente, el desarrollo económico y la diversificación de empleo. El objetivo del presente trabajo se enfoca en extraer energía a partir de los desechos generados en un trapiche; es decir, el ripio de la caña de azúcar que es procesado para biorrefinería. El efecto invernadero ha generado un interés en las prácticas que mitiguen las emisiones de gases invernadero

PALABRAS CLAVES: residuo biomasa, generación de energía, trapiche, caña de azúcar.

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Figura 1.  En la figura se presentan las moléculas de Etanol (superior) C2H5OH y de diesel (inferior) C16H18. La imagen del diesel fue obtenida de N. Khan et al

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El incremento del precio del petróleo y el aumento en los efectos del cambio climático han dado como resultado el inicio de la búsqueda de combustibles alternativos como es el uso de biocombustibles basados el uso de bioetanol y biodiesel.
El biodiesel es un biocarburante líquido que, en contraposición con los combustibles gasóleos tradicionales, tiene la particularidad de poder ser extraído de recursos naturales renovables, ya sean de origen vegetal o de origen animal, como  aceites vegetales obtenidos de la colza, soja o girasol y grasa animal[1].
Actualmente la mayor cantidad de biodiesel que se usa como combustible en la industria automotriz proviene de la soja[1]. El principal productor de soja en el mundo son los Estados Unidos, seguido de países cómo Brasil, Argentina, China e India, en ese orden. Colombia por su parte es el cuadragésimo país productor de soja en el mundo, con una superficie de plantación de soja igual a 28000 hectáreas con una producción 77000 toneladas[2].

El problema del uso de la soja se basa en que la eficiencia de esta para la producción de combustible es relativamente baja ya que la plantación de media hectárea (100 km2 = 1 hectárea) solo consigue generar un barril de biodiesel[1]. Esta encrucijada no solo se queda aquí, sino que la soja además se considera como una fuente de alimento principal, como lo expresa el Dr. Stephen P. Long, profesor de Biología Vegetal y Ciencia de Cultivos e investigador de la Universidad de Illinois y promotor de la nueva alternativa[2].

El Dr. Stephen P. Long lidera el proyecto de investigación Plant Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sweet Sorghum (PETROSS[2]), que ha sido pionero en este trabajo en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica en Illinois. Sus publicaciones en la revista Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, explican el desarrollo de un procedimiento eficiente y económico para la fabricación de biodiesel a partir de la caña de azúcar, partiendo de analizar las primeras variedades de caña de azúcar modificadas genéticamente en el proyecto[3]. Como resultado preliminar se puede hablar de que a partir de esta caña de azúcar modificada se recuperaron aproximadamente el 90% del azúcar y el 60% del aceite. El zumo se fermento para la producción de bioetanol y posteriormente se trató con disolventes orgánicos para recuperar el aceite[3] (este proceso será descrito en la próxima sesión con un poco más de detalle). Como se puede evidenciar de una misma fuente biológica se puede producir tanto bioetanol como biodiesel.

Hasta la fecha PETROSS ha diseñado una caña de azúcar con una posible extracción del 12.5% de aceite del peso total de la caña, del cual un 8% es aceite que se puede convertir en biodiesel[1],[3]. Se pretende expandir esa extracción hasta aproximadamente un 20%[1].

Se debe tener presente que la caña de azúcar puede cultivarse en zonas donde la soja y el maíz no se pueden cultivar dada las condiciones climáticas extremas[3]. Donde además, el cultivo de caña de azúcar destinado a biocombustibles serían cinco veces más rentables por hectárea que las soja y dos veces más rentable que el maíz[3].
Además de que la caña de azúcar no se considera un alimento principal, el biodiesel producido a partir de la caña de azúcar es mucho más barato que el producido a partir de la soja y otras biomasas (mencionadas en la siguiente sección), por lo que los investigadores la consideran una alternativa mucho más ventajosa frente a los combustibles gasóleos[2].

El principal productor de caña de azúcar es Brasil. Los siguientes productores son India, Tailandia y China. Estados Unidos es el undécimo productor mundial de caña de azúcar. Por nuestra parte, Colombia es el séptimo productor mundial de caña de azúcar aportando alrededor de 36 millones de kilogramos de caña de azúcar al mercado mundial, lo que convierte a Colombia en uno de los posibles productores a nivel mundial de biodiesel a partir de la caña de azúcar si así se plantea.

Hasta ahora el mayor biocombustible utilizado en el mundo, dada su facilidad de obtención, era el etanol en temas de transporte sostenible[4].

En Brasil, dado que es el mayor productor de biodiesel a partir de la caña de azúcar, ya existen cientos de transportes que funcionan con este tipo de biodiesel[4], lo que demuestra que sí es viable a pesar de ciertas limitaciones. Sin embargo, en el caso de Brasil se usa una modificación genética de la caña de azúcar, obtenida a partir de la levadura de la cerveza[4].

Este desarrollo ha sido posible gracias al trabajo conjunto de Amyris y Crystalsev. Amyris tuvo como objetivo el desarrollo de modificaciones genéticas en la levadura comercial conocida como Saccharomyces cerevisiae, que se encarga de la fermentación del zumo de la caña de azúcar para convertirla en bioetanol. Esto se logra haciendo que el microorganismo secrete farnaseno, una molécula común en el diesel[4].

Lo más interesante de esta tecnología necesaria para la obtención del biodiesel a partir de la caña de azúcar es que se pueden usar las plantas que ya producen bioetanol. Ya que, en lugar de usar los tipos normales de Saccharomyces para fabricar tan solo bioetanol, se emplean especies genéticamente modificadas para producir farnaseno. Esto permite separar la destilación normal del bioetanol en dos, para que también se obtenga biodiesel[4]. Esto conlleva que al final se puedan extraer ambos biocarburantes en un único proceso, con los consiguientes beneficios económicos[4].

¹Estos datos pueden ser contrastados en la siguiente base de datos https://bit.ly/3KN5B82. La cual recopila la información a partir de informes de la Organización de Comida y Agricultura (FAO) del 2019.
²Estos datos pueden ser contrastados en la siguiente base de datos https://bit.ly/3KN5B82. La cual recopila la información a partir de informes de la Organización de Comida y Agricultura (FAO) del 2019.

³Estos datos pueden ser contrastados en la siguiente tabla https://bit.ly/3M2ZFbk. La cual recopila la información a partir de informes de la Organización de Comida y Agricultura (FAO) del 2019.
⁴ Amyris es una empresa de biotecnología sintética y productos químicos renovables con sede en Emeryville, California. Amyris presta servicios a los mercados de productos químicos especiales y de rendimiento, sabores y fragancias, ingredientes cosméticos, productos farmacéuticos y nutracéuticos. Está comprometida con el desarrollo de productos químicos amigables con el medio ambiente y limpios, para el sostenimiento del planeta.

⁵Crystalsev es una de las principales empresas de comercialización de etanol y azúcar de Brasil[4].

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Tabla 1. Se presentan los principales alimentos que son/podrían ser usados para la obtención de bioetanol. No se especifica el porcentaje de bioetanol extraído

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Como ya se mencionó con anterioridad, la búsqueda de energía a través de fuentes renovables se ha vuelto un asunto de gran importancia a nivel industrial, económico, social y científico (De La Cerna, 2016).

En la región latinoamericana es Brasil quien lleva la delantera en temas de la utilización de energías renovables, ya que en este país alrededor del 30% es energía renovable (De La Cerna, 2016).

En cuanto al mundo automotriz existen muchas alternativas para la generación de biocombustibles, desde biocombustibles líquidos como el bioetanol, biometanol, biodiesel, líquidos de Fischer-Tropsch hasta biocombustibles gaseosos como el hidrógeno y el metano (Silva, E et al. 2016). Sin embargo, son el biodiesel y el bioetanol quienes parten como las alternativas favoritas de combustibles líquidos de hidrocarburos fósiles dado que son obtenidos a partir de fuentes renovables (De La Cerna, 2016).

El bioetanol se obtiene a partir de la fermentación de los alimentos ricos en azúcar, almidón y/o celulosa (De La Cerna, 2016) a través de técnicas de biorefinerías similares en concepto a las petroleras que lo transforman en múltiples combustibles y productos (Silva, E et al. 2016). En la tabla 1 se presenta la lista de los principales alimentos con las características anteriormente mencionadas.
El problema que traen consigo muchos de los alimentos que se puede encontrar en la tabla 1, es que muchos de ellos son usados como alimentos de primera necesidad y generar cultivos que tengan como fin único su conversión a biocombustible acarrea problemas de abastecimiento de ese alimento (De La Cerna, 2016). A este tipo de combustible se le conoce como biocombustible de primera generación, ya que parte de cultivos para la alimentación (De La Cerna, 2016).

Se puede definir la biorrefinería como la industrial que integra tecnologías de conversión de biomasa y procesos para la producción simultánea de combustibles, energía y productos químicos a partir de biomasa según National Renewable Energy Laboratory (NREL), del 2008 (Silva, E et al. 2016).

En la figura 2 se describe un esquema general del proceso de biorrefinería aplicado a la biomateria. Es importante mantener la idea que nuestra materia prima es la caña de azúcar.

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Figura 2. Esquema básico de cómo funciona la biorefinería. Obtenido de (Silva, E et al. 2016)

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Además, existen diferentes clases de biorrefinería dependiendo de la ruta que toman para general el producto final. A rasgos generales hay dos tipos de biorrefinerías. La clasificación se basa en cuatro aspectos principales: plataforma, productos (energía, biomateriales y químicos), materias primas y procesos de conversión (Silva, E et al. 2016). Las principales clasificaciones son las basadas en bioquímica y las que son basadas en termoquímicas (Silva, E et al. 2016).

En la figura 4 se puede ver un esquema de cómo funciona la producción de bioetanol (el cuál será el objetivo de la propuesta de investigación inicial, para luego derivar en una mejor) a través de la fermentación de biomasas necesita de varias etapas, puede variar un poco dependiendo del tipo de biomasa inicial, como son: Pretratamiento, Hidrólisis, Fermentación, Destilación (De La Cerna, 2016).

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Figura 3. Se muestra la clasificación de las biorrefinerías en Bioquimicas y Termoquimicas,  basadas en cuatro aspectos. Tomado de (Silva, E et al. 2016).

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Figura 4. Esquema superficial de los pasos necesarios de la obtención del etanol a través de la fermentación de una biomasa. Obtenido de (De La Cerna, 2016).

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La descripción de los pasos necesarios para la obtención de bioetanol son:
★ Pre-tratamiento: Tratamiento mecánico de la biomasa a   través de la molienda, trituración o maceración,
★ Hidrólisis: Proceso enzimático con el objetivo de romper las cadenas de glucosa u otros azúcares, a través de enzimas microbianas como: amilasas, hemicelulosas y celulosas.
★ Fermentación: Usa una levadura, Saccharomyces cerevisiae, la cual utiliza azúcares para la producción de alcoholes, como parte de su metabolismo.
★ Destilación: A través de una evaporación se separa el etanol de otros productos.

Colombia por su lado presenta diversas leyes que establecen el uso de bioetanol y biodiesel junto con combustibles gasóleos para dejar la dependencia de las fuentes de petróleo y gas, que no abundan en el país (Kafarov A. et al 2011).

Colombia es el séptimo productor de caña de azúcar del mundo, lo cual indica que el país puede ser un gran productor de bioetanol y biodiesel a partir de la caña de azúcar. Sin embargo, en estos momentos la producción de biodiesel corre por cuenta del aceite de Palma Africana (Kafarov A. et al 2011), donde Colombia es el cuarto productor a nivel mundial (Kafarov A. et al 2011).

La caña de azúcar es un alimento sumamente importante no solo para la alimentación de muchos países sino también para el desarrollo industrial, dada la cantidad diversificada de productos y subproductos que pueden ser obtenidas de ella.

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Figura 5.  Esquema de los diferentes productos y subproductos que pueden ser obtenidos a partir de la caña de azúcar.

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Es bueno tener en cuenta en este punto como se mencionó anteriormente, que una de las ventajas del uso de la caña de azúcar es que con ella se puede producir tanto bioetanol como biodiesel.

En la figura 6 se muestra un esquema del tratamiento preliminar que se le debe dar a la caña de azúcar para la posterior fermentación para finalmente obtener el bioetanol y biodiesel.

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Figura 6. Esquema del tratamiento preliminar que se le ha de realizar a la caña de azúcar para la posterior fermentación. Esquema obtenido de Kafarov A. et al 

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Figura 7. Esquema del tratamiento que se le ha de realizar a la caña de azúcar después del pretratamiento para la obtención de bioetanol y biodiesel. 

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En la figura 7 se presenta el esquema que se ha de realizar sobre la caña de azúcar para la obtención de bioetanol y biodiesel (este esquema es el núcleo de la propuesta de investigación). Esquema obtenido de Kafarov A. et al 2011.

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Figura 8. En la parte superior se ve una comparación energética entre la caña de azúcar y barriles de petróleo.

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Note como este último podría llegar a ser fácilmente reemplazado, especialmente en Colombia que es uno de los países más productores de caña. En la parte inferior se aprecia un histograma de diferentes clases de combustibles y su aporte en emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) basados en la taza de CO2. Tomado de (Silva, E et al. 2016).

Finalmente se puede comparar los efectos energéticos y ambientales que trae consigo el uso de los biocombustibles obtenidos a partir de la caña de azúcar con los gasóleos y con otras biomasas en la figura 8.
Actualmente, y como se mencionó anteriormente, existen trabajos basados en la modificación genética de la caña de azúcar para hacerla más productiva como son los desarrollados por H Huang, S Long & V Singh, 2016 y PETROSS donde obtienen mayores beneficios, los cuales pueden ser observados en la figura 9.

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Figura 9. En el histograma de la izquierda se muestra el coste de producción de biocombustible.

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En el histograma de la izquierda se muestra el coste de producción de biocombustible a partir de biodiesel y bioetanol obtenidos a partir de la soja, la caña de azúcar sin modificar y la caña de azúcar con modificaciones genéticas. En el histograma de la derecha se muestra la cantidad de biocombustible producido a partir de biodiesel y bioetanol obtenidos a partir de la soja, la caña de azúcar sin modificar y la caña de azúcar con modificaciones genéticas. Tomado de (H Huang, S Long & V Singh, 2016).
Sin embargo, como de momento se hace muy complejo obtener exactamente las modificaciones genéticas necesarias sobre la caña de azúcar, se deja esta a apartado como trabajo a futuro a estudiar.

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El objetivo último de este proyecto de investigación será obtener una muestra de biodiesel a partir de caña de azúcar, más específicamente después de que se tenga el jugo clarificado (ver figura 6).

Pero antes de esto, se debe comenzar comprobando que las descripciones en la literatura sobre la obtención de bioetanol (como una práctica que ya se hizo en el curso de Biología) son correctas. Ya que, como se ha mencionado, si se obtiene el etanol anhidro se puede continuar con el tratamiento para finalmente obtener biodiesel (ver figura 7).

En caso de que no se cuente en la facultad con el equipo necesario para la obtención del biodiesel este se dejará como objetivo científico a largo plazo.

Desarrollar este tipo de investigaciones dentro de la Universidad de Antioquia conlleva a que sean los grupos de investigación de la Universidad quienes estén a la vanguardia de la producción nacional de biocombustibles, que es el camino actual de al economía, sociedad y ciencia de recursos renovables, en este caso, para el mundo automotriz.

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Figura 10. Evidencia experimental a pequeña escala para realizar un fermento a partir de un zumo de uva. Recipiente con la bomba amarilla.

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A partir del proceso de fermentación de la caña de azúcar se puede realizar un proceso de conversión de azúcares a alcohol. En el presente curso se realizó un pequeño acercamiento a esta técnica a partir del jugo de uva y la adición de levadura, se realizó un proceso de fermentación, en primera instancia se dio la preparación de un zumo de una porción de uva por tres partes de panela proveniente del trapiche de Guadalito. En el laboratorio de biología de la universidad de Antioquia, se agregó la levadura y la trampa de aire con ayuda de una bomba, tal como se muestra en la figura 6.

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Figura 11. Montaje de la destilación fraccionada para la obtención de etanol a partir de la bebida fermentada

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Cuando la bebida de uva, alcanzó los tres meses de fermento, en el laboratorio de análisis instrumental de la universidad de Antioquia se llevó a cabo el proceso de destilación fraccionada, con el fin de obtener el etanol presente en la bebida de uva fermentada, para tener una idea del porcentaje de etanol presente en el fermento.

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Tabla 2. Datos experimentales obtenidos a partir de la preparación de estándares y el GC

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Posterior a la destilación, se realizó un proceso de dilución de la bebida en agua destilada para obtener concentraciones de 1000, 2000, 3000 y 4000 ppm. Seguidamente se da la filtración para llevar al cromatógrafo de gases GC-2010. Este equipo cuenta con un detector FID (flame ionization detector), después de la separación de la muestra en la columna de GC, cada analito pasa a través de una llama, alimentada por nitrógeno y aire cero, que ioniza los átomos de carbono, consigue sensar las señales dando lugar a un cromatograma. Los datos obtenidos de las áreas de carbono provenientes del etanol C₂H₅OH y butanol C₄H₉OH se muestran en la tabla 2.

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Figura 12. Curva de calibración que exhibe la relación del área de carbonos del etanol (C2) y el butanol (C4) frente a la concentración de etanol.

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A partir de la ecuación de la recta , se tiene que

AC₂/AC₄ = 0.0002[Etanol] + 0.3769

Despejando en términos de la concentración de etanol se tiene

[Etanol]=(AC₂/AC₄- 0.3769)/ 0.0002

Teniendo en cuenta el factor de dilución se puede determinar el porcentaje de etanol presente en la bebida de uva fermentada

% Etanol=[Etanol]*1/100

Del modelo de cálculo anterior se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 3.

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Tabla 3. Resultados provenientes del cálculo para la concentración de etanol a partir de la correlación lineal.

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Figura 13. Reacción química para la obtención de etanol a partir de la glucosa de la caña de azúcar.

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La metodología anteriormente descrita fue realizada para una bebida de uva fermentada, análogamente se va a diseñar un procedimiento similar para extraer el etanol de la caña de azúcar y posteriormente implementar la fabricación biodiesel. La biomasa es materia orgánica, de origen vegetal o animal, utilizada en la producción de energía. Se obtiene a través de la descomposición de una variedad de recursos renovables, como la caña de azúcar, madera, restos de comida, excrementos, basura y desechos agrícolas. Las ventajas de la energía de la biomasa frente a otras fuentes de energía pueden explicar el creciente interés por su consumo[9].

En comparación con otros residuos agrícolas, el bagazo tiene un alto rendimiento en cuanto al reservorio de energía solar y la captación de energía química. La combustión/gasificación de la caña de azúcar produce la misma cantidad de CO 2 que consume durante su crecimiento; por lo tanto tiene un carbono neutral.

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[1]Arturo-Aguilar, C. (2016). Biodiesel a partir de azúcar ya es una realidad. Seminuevos. https://bit.ly/3EoHgmB.

[2]Arteaga, S. (2016). Descubren cómo fabricar biodiesel más barato con caña de azúcar. Computerhoy.https://bit.ly/3rwWYqI.

[3]Zamora, A. (2017). Desarrollan caña de azúcar MG capaz de producir hasta un 167% más de biodiesel. Fundación Atama. https://bit.ly/3uRmAkf.

[4]Efimarket. (2013). Biodiesel a partir de la caña de azúcar. Efimarket. https://bit.ly/3Oj2CX5

[5]De La Cerna, Carla. (2016). Fabricando bioetanol. Alianzas & Tendencias BUAP. 1. 10.

[6]Kafarov, V., Ojeda, K.A., Sánchez, E.C. (2011). Diseño de producción conjunta biodiesel - bioetanol.

[7]Silva Lora, E. E. (2017). Bioenergía y biorrefinerías para caña de azúcar y palma de aceite. Revista Palmas, 37, 119-136. Recuperado a partir de https://bit.ly/3rzWOPm.

[8]Huang, Haibo & Long, Stephen & Singh, Vijay. (2016). Techno-economic analysis of biodiesel and ethanol co-production from lipid-producing sugarcane. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 10. n/a-n/a. 10.1002/bbb.1640.

[9]Faria Ferreira Carraro, C., Martins, A. C. , Faria, A. C. d. S. , & Loures, C. C. A.  (2020). Agroenergy from Residual Biomass: Energy Perspective. In T. P.  Basso, T. O.  Basso, & L. C.  Basso (Eds.), Biotechnological Applications of Biomass. IntechOpen. https://bit.ly/38QiP5N