El etanol celulósico es etanol (alcohol etílico) producido a partir de celulosa (la fibra fibrosa de una planta) en lugar de a partir de las semillas o frutos de la planta . Puede producirse a partir de pastos , madera , algas u otras plantas. Generalmente se habla de su uso como biocombustible . El dióxido de carbono que las plantas absorben a medida que crecen compensa parte del dióxido de carbono emitido cuando se quema el etanol elaborado a partir de ellas , por lo que el combustible de etanol celulósico tiene el potencial de tener una huella de carbono menor que los combustibles fósiles .
El interés en el etanol celulósico está impulsado por su potencial para reemplazar el etanol elaborado a partir de maíz o caña de azúcar . Dado que estas plantas también se utilizan para productos alimenticios, desviarlas para la producción de etanol puede provocar un aumento de 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 alta diversidad y abundancia de fuentes de celulosa; Los pastos, los árboles y las algas se encuentran en casi todos los entornos de la Tierra. Incluso los componentes de los residuos sólidos urbanos, como el papel, podrían convertirse en etanol. La principal desventaja actual del etanol celulósico 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 mucha atención en la década de 2000 y principios de 2010. En particular, el gobierno de Estados Unidos financió investigaciones sobre su comercialización y fijó objetivos para la proporción de etanol celulósico añadido al combustible de los 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 cereales, 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 cerraron a mediados de la década de 2010 y muchas de las empresas recién fundadas se declararon insolventes. Algunos todavía existen, pero se utilizan principalmente con fines de demostración o investigación; A partir de 2021, ninguna produce etanol celulósico a escala.
El etanol celulósico es un tipo de biocombustible producido a partir de lignocelulosa , un material estructural que comprende gran parte de la masa de las plantas y está compuesto principalmente por celulosa , hemicelulosa y lignina . Las fuentes populares de lignocelulosa incluyen tanto productos de desecho agrícola (por ejemplo, rastrojos de maíz o astillas de madera ) como pastos como especies de pasto varilla y miscanthus . [1] 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 del maíz y los azúcares de caña más utilizados. [2] Sin embargo, también requieren más procesamiento para que los monómeros de azúcar estén disponibles para los microorganismos típicamente utilizados para producir etanol por fermentación, lo que eleva el precio del etanol derivado de la celulosa. [3]
El etanol celulósico puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 85% respecto a la gasolina reformulada. [4] 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 no reducir en absoluto las emisiones de gases de efecto invernadero dependiendo de cómo se produzca la materia prima a base de almidón. [5] Según la Academia Nacional de Ciencias en 2011, no existe ninguna biorrefinería comercialmente viable para convertir la biomasa lignocelulósica en combustible. [6] La ausencia de producción de etanol celulósico en las cantidades requeridas por la regulación fue la base de una decisión del Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para el Distrito de Columbia anunciada el 25 de enero de 2013, anulando un requisito impuesto a los productores de combustible para automóviles y camiones en el Estados Unidos por la Agencia de Protección Ambiental exigiendo la adición de biocombustibles celulósicos a sus productos. [7] Estos problemas, junto con muchos otros desafíos difíciles de producción, 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". [8]
El químico francés Henri Braconnot fue el primero en descubrir que la celulosa podía hidrolizarse en azúcares mediante tratamiento con ácido sulfúrico en 1819. [9] El azúcar hidrolizado luego podía procesarse para formar etanol mediante fermentación. La primera producción comercializada de etanol comenzó en Alemania en 1898, donde se utilizaba ácido para hidrolizar la celulosa. En Estados Unidos, la Standard Alcohol Company inauguró la primera planta de producción de etanol celulósico en Carolina del Sur en 1910. Posteriormente, se abrió una segunda planta en Luisiana. Sin embargo, ambas plantas fueron cerradas después de la Primera Guerra Mundial por motivos económicos. [10]
El primer intento de comercializar un proceso para obtener etanol a partir de madera se realizó en Alemania en 1898. Implicaba el uso de ácido diluido para hidrolizar la celulosa a glucosa y fue capaz de producir 7,6 litros de etanol por cada 100 kg de residuos de madera (18 EE.UU.). gal (68 L) por tonelada). Los alemanes pronto desarrollaron un proceso industrial optimizado para rendimientos de alrededor de 50 galones estadounidenses (190 L) por tonelada de biomasa. Este proceso pronto llegó a los EE. UU., culminando 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 en una etapa. Aunque los rendimientos fueron la mitad que los del proceso alemán original (25 galones estadounidenses (95 L) de etanol por tonelada frente a 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 pequeña pero constante investigación sobre hidrólisis ácida diluida continuó en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS . [11] [12] [13] Durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos 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 original alemán Scholler desarrollado por el Laboratorio de Productos Forestales. Esta planta logró un rendimiento de etanol de 50 galones estadounidenses (190 L) por tonelada seca, pero aún no era rentable y se cerró después de la guerra. [14]
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 de manera más efectiva en azúcares. El pretratamiento con ácido diluido se desarrolló basándose en los primeros trabajos sobre hidrólisis ácida de la madera en el Laboratorio de Productos Forestales del USFS . Recientemente, el Laboratorio de Productos Forestales , junto con la Universidad de Wisconsin-Madison, desarrolló un pretratamiento con sulfito para superar la recalcitrancia de la lignocelulosa para lograr una hidrólisis enzimática robusta de la celulosa de la madera. [15]
En su discurso sobre el estado de la Unión de 2007 , el 23 de enero de 2007, el presidente estadounidense George W. Bush anunció una propuesta de mandato para 35 mil millones de galones estadounidenses (130 × 10 9 L) de etanol para 2017. Más tarde ese año, el Departamento de Energía de EE. UU. 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. [dieciséis]
Las etapas para producir etanol mediante un enfoque biológico son: [17]
En 2010, se desarrolló una cepa de levadura genéticamente modificada para producir sus propias enzimas que digieren la celulosa. [18] Suponiendo que esta tecnología pueda ampliarse a niveles industriales, eliminaría uno o más pasos de celulólisis, reduciendo tanto el tiempo requerido como los costos de producción. [ cita necesaria ]
Aunque la lignocelulosa es el recurso material vegetal más abundante, su utilidad se ve limitada por su estructura rígida. Como resultado, se necesita un pretratamiento eficaz para liberar la celulosa del sello de lignina y su estructura cristalina para hacerla accesible para una etapa de hidrólisis posterior. [19] Con diferencia, la mayoría de los pretratamientos se realizan por medios físicos o químicos. Para lograr una mayor eficiencia, se requieren pretratamientos tanto físicos como químicos. El pretratamiento físico implica la reducción del 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 reacciones microbianas. [20]
Las técnicas de pretratamiento químico incluyen hidrólisis ácida , explosión de vapor , expansión de fibras de amoníaco, organosolv, pretratamiento con sulfitos , [15] fraccionamiento de SO2-etanol-agua, [21] oxidación alcalina húmeda y pretratamiento con ozono. [22] Además de la 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. [23] 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 . [24] La expansión de fibra de amoníaco (AFEX) es un ejemplo de un pretratamiento prometedor que no produce inhibidores. [25]
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 aquellas 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 muy baja producción de inhibidores de fermentación. La pulpa Organosolv es particularmente efectiva para maderas duras y ofrece una fácil recuperación de un producto de lignina hidrofóbica mediante dilución y precipitación. [26] </ref> El proceso AVAP® fracciona eficazmente todos los tipos de lignocelulósicos en celulosa limpia altamente digerible, azúcares de hemicelulosa no degradados, lignina reactiva y lignosulfonatos, y se caracteriza por una recuperación eficiente de productos químicos. [27] [28]
La hidrólisis de la celulosa ( celulólisis ) produce azúcares simples que pueden fermentarse hasta convertirse en alcohol. Existen dos grandes procesos de celulolisis: procesos químicos que utilizan ácidos o reacciones enzimáticas que utilizan celulasas . [17]
En los métodos tradicionales desarrollados en el siglo XIX y principios del XX, la hidrólisis se realiza atacando la celulosa con un ácido. [29] Se puede usar ácido diluido a altas temperaturas y alta presión, o se puede usar ácido más concentrado a temperaturas más bajas y presión atmosférica. Una mezcla celulósica descristalizada de ácido y azúcares reacciona en presencia de agua para completar moléculas de azúcar individuales (hidrólisis). Luego, el producto de esta hidrólisis se neutraliza y la fermentación de la levadura se utiliza para producir etanol. Como se mencionó, un obstáculo importante para el proceso de ácido diluido es que la hidrólisis es tan dura que se producen productos de degradación tóxicos que pueden interferir con la fermentación. BlueFire Renewables utiliza ácido concentrado porque no produce tantos inhibidores de fermentación, pero debe separarse de la corriente de azúcar para su reciclaje [separación cromatográfica en lecho móvil simulada, por ejemplo] para que sea comercialmente atractivo. [ cita necesaria ]
Los científicos del Servicio de Investigación Agrícola descubrieron que pueden acceder y fermentar casi todos los azúcares restantes en la paja de trigo . Los azúcares se encuentran en las paredes celulares de la planta, que son muy difíciles de descomponer. Para acceder a estos azúcares, los científicos trataron previamente la paja de trigo con peróxido alcalino y luego utilizaron enzimas especializadas para romper las paredes celulares. Este método produjo 93 galones estadounidenses (350 L) de etanol por tonelada de paja de trigo. [30]
Las enzimas celulasas pueden romper las cadenas de celulosa en moléculas de glucosa . Esta reacción ocurre a la temperatura corporal en el estómago de rumiantes como el ganado vacuno y ovino, donde las enzimas son producidas por microbios. Este proceso utiliza varias enzimas en varias etapas de esta conversión. Utilizando un sistema enzimático similar, los materiales lignocelulósicos se pueden hidrolizar enzimáticamente en condiciones relativamente suaves (50 °C y pH 5), lo que permite una descomposición eficaz de la celulosa sin la formación de subproductos que de otro modo inhibirían la actividad enzimática. Todos los principales métodos de pretratamiento, incluido el ácido diluido, requieren un paso de hidrólisis enzimática para lograr un alto rendimiento de azúcar para la fermentación del etanol. [25]
Se pueden utilizar enzimas fúngicas para hidrolizar la celulosa. La materia prima (a menudo madera o paja) aún debe ser tratada previamente para que sea susceptible a la hidrólisis. [31] En 2005, Iogen Corporation anunció que estaba desarrollando un proceso utilizando el hongo Trichoderma reesei para secretar "enzimas especialmente diseñadas" para un proceso de hidrólisis enzimática . [32]
Otra empresa canadiense, SunOpta, utiliza pretratamiento por explosión de vapor y proporciona su tecnología a las instalaciones de Verenium (anteriormente Celunol Corporation) en Jennings, Luisiana , a las instalaciones de Abengoa en Salamanca, España , y a China Resources Alcohol Corporation en Zhaodong . La planta de producción de CRAC utiliza rastrojos de maíz como materia prima. [33]
Tradicionalmente, la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ), se ha utilizado durante mucho tiempo en la industria cervecera para producir etanol a partir de hexosas (azúcares de seis carbonos). Debido a la naturaleza compleja de los carbohidratos presentes en la biomasa lignocelulósica , una cantidad significativa de xilosa y arabinosa (azúcares de cinco carbonos derivados de la porción hemicelulosa de la lignocelulosa) también está presente en el hidrolizado. Por ejemplo, en el hidrolizado de rastrojo de maíz , aproximadamente el 30% del total de azúcares fermentables es xilosa. Como resultado, la capacidad de los microorganismos fermentadores para utilizar toda la gama de azúcares disponibles en el hidrolizado es vital para aumentar la competitividad económica del etanol celulósico y las proteínas potencialmente de base biológica. [ cita necesaria ]
En los últimos años, la ingeniería metabólica de los microorganismos utilizados en la producción de etanol combustible ha mostrado avances significativos. [34] Además de Saccharomyces cerevisiae , microorganismos como Zymomonas mobilis y Escherichia coli han sido objetivo mediante ingeniería metabólica para la producción de etanol celulósico. Un atractivo hacia los organismos de fermentación alternativos es su capacidad para fermentar azúcares de cinco carbonos, mejorando el rendimiento de la materia prima. Esta capacidad se encuentra a menudo en organismos basados en bacterias [35] . [ cita necesaria ]
Recientemente, se ha descrito que levaduras genéticamente fermentadas fermentan eficientemente xilosa, [36] [37] y arabinosa, [38] e incluso ambas juntas. [39] Las células de levadura son especialmente atractivas para los procesos de etanol celulósico porque se han utilizado en biotecnología durante cientos de años, son tolerantes a altas concentraciones de etanol e inhibidores y pueden crecer a valores de pH bajos para reducir la contaminación bacteriana. [ cita necesaria ]
Se ha descubierto que algunas especies de bacterias son capaces de convertir directamente un sustrato de celulosa en etanol. Un ejemplo es Clostridium thermocellum , que utiliza un celulosoma complejo para descomponer la celulosa y sintetizar etanol. Sin embargo, C. thermocellum también produce otros productos durante el metabolismo de la celulosa, incluidos acetato y lactato , además de etanol, lo que reduce la eficiencia del proceso. Algunos esfuerzos de investigación están dirigidos a optimizar la producción de etanol mediante la ingeniería genética de bacterias que se centran en la vía de producción de etanol. [40]
El proceso de gasificación no se basa en la descomposición química de la cadena de celulosa (celulólisis). En lugar de romper la celulosa en moléculas de azúcar, el carbono de la materia prima se convierte en gas de síntesis , mediante lo que equivale a una combustión parcial. Luego, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y el hidrógeno pueden introducirse en un tipo especial de fermentador . En lugar de la fermentación del azúcar con levadura, este proceso utiliza la bacteria Clostridium ljungdahlii . [41] Este microorganismo ingiere monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno y produce etanol y agua. Por tanto, el proceso se puede dividir en tres pasos:
Un estudio reciente ha encontrado otra bacteria Clostridium que parece ser dos veces más eficiente para producir etanol a partir de monóxido de carbono que la mencionada anteriormente. [42]
Alternativamente, el gas de síntesis procedente de la gasificación se puede alimentar a un reactor catalítico donde se utiliza para producir etanol y otros alcoholes superiores mediante un proceso termoquímico. [43] Este proceso también puede generar otros tipos de combustibles líquidos, un concepto alternativo demostrado con éxito por la empresa Enerkem , con sede en Montreal, en sus instalaciones de Westbury, Quebec. [44]
Se realizan intensos estudios para desarrollar métodos económicos para convertir tanto la celulosa como la hemicelulosa en etanol. La fermentación de glucosa, el principal producto del hidrolizado de celulosa, a etanol es una técnica ya establecida y eficiente. Sin embargo, la conversión de xilosa, el azúcar pentosa del hidrolizado de hemicelulosa, es un factor limitante, especialmente en presencia de glucosa. Además, no se puede ignorar, ya que la hemicelulosa aumentará la eficiencia y la rentabilidad de la producción de etanol celulósico. [45]
Sakamoto (2012) et al. muestran el potencial de los microbios de ingeniería genética para expresar enzimas hemicelulasas. Los investigadores crearon una cepa recombinante de Saccharomyces cerevisiae que pudo:
La cepa pudo convertir el hidrolizado de paja de arroz en etanol, que contiene componentes hemicelulósicos. Además, fue capaz de producir 2,5 veces más etanol que la cepa de control, lo que demuestra el proceso altamente efectivo de ingeniería de la superficie celular para producir etanol. [45]
El etanol se quema de manera más limpia y eficiente que la gasolina. [46] [47] Debido a que las plantas consumen dióxido de carbono a medida que crecen, el bioetanol tiene una huella de carbono general más baja que los combustibles fósiles. [48] La sustitución del petróleo por etanol también puede reducir la dependencia de un país de las importaciones de petróleo . [49]
La producción comercial de etanol celulósico, que a diferencia del maíz y la caña de azúcar no competiría con la producción de alimentos, sería muy atractiva ya que aliviaría la presión sobre estos cultivos alimentarios.
Aunque sus costos de procesamiento son mayores, el precio de la biomasa celulósica es mucho más económico que el de los cereales o las frutas. Además, dado que la celulosa es el componente principal de las plantas, se puede cosechar toda la planta, en lugar de sólo los frutos o las semillas. Esto da como resultado rendimientos mucho mejores; por ejemplo, el pasto varilla produce el doble de etanol por acre que el maíz. [51] Los materiales de biomasa para la producción de celulosa requieren menos insumos, como fertilizantes, herbicidas, y sus raíces extensas mejoran la calidad del suelo , reducen la erosión y aumentan la captura de nutrientes. [52] [53] La huella de carbono general y el potencial de calentamiento global del etanol celulósico son considerablemente menores (ver gráfico) [54] [55] [56] y la producción neta de energía es varias veces mayor que la del etanol a base de maíz.
La materia prima potencial también es abundante. Alrededor del 44% de los residuos domésticos generados en todo el mundo consisten en alimentos y verduras. [57] Se estima que cada año se desperdician 323 millones de toneladas de materias primas que contienen celulosa que podrían usarse para crear etanol sólo en Estados Unidos. Esto incluye 36,8 millones de toneladas secas de desechos de madera urbana, 90,5 millones de toneladas secas de residuos primarios de aserraderos, 45 millones de toneladas secas de residuos forestales y 150,7 millones de toneladas secas de rastrojos de maíz y paja de trigo. [58] Además, incluso las tierras marginales para la agricultura podrían plantarse con cultivos productores de celulosa, como el pasto varilla, lo que daría como resultado una producción suficiente para sustituir todas las actuales importaciones de petróleo en los Estados Unidos. [59]
El papel, el cartón y los embalajes representan alrededor del 17% de los residuos domésticos mundiales; [57] aunque parte de esto se recicla. Como estos productos contienen celulosa, son transformables en etanol celulósico, [58] lo que evitaría la producción de metano , un potente gas de efecto invernadero, durante la descomposición. [60]
El principal inconveniente general del combustible de etanol es su menor economía de combustible en comparación con la gasolina cuando se usa etanol en un motor diseñado para gasolina con una relación de compresión más baja. [49]
La principal desventaja del etanol celulósico es su alto costo y complejidad de producción, lo que ha sido el principal impedimento para su comercialización. [61] [62]
Aunque el mercado mundial del bioetanol es considerable (alrededor de 110 mil millones de litros en 2019), la gran mayoría se elabora a partir de maíz o caña de azúcar , no de celulosa. [63] En 2007, el costo de producir etanol a partir de fuentes celulósicas se estimó ca. 2,65 dólares por galón (0,58 euros por litro), lo que supone entre 2 y 3 veces más caro que el etanol elaborado a partir de maíz. [64] Sin embargo, el mercado del etanol celulósico sigue siendo relativamente pequeño y depende de subvenciones gubernamentales. [62] El gobierno de EE. UU. fijó originalmente objetivos de etanol celulósico que aumentaron gradualmente de 1.000 millones de litros en 2011 a 60.000 millones de litros en 2022. [65] Sin embargo, estos objetivos anuales casi siempre se han renunciado después de que quedó claro que no había posibilidades de cumplirlos. a ellos. [61] La mayoría de las plantas para producir etanol celulósico fueron canceladas o abandonadas a principios de la década de 2010. [62] [66] Las plantas construidas o financiadas por DuPont , General Motors y BP , entre muchas otras, fueron cerradas o vendidas. [67] En 2018, solo queda una planta importante en los EE. UU. [62]
Para que pueda cultivarse a gran escala, la biomasa de celulosa debe competir con los usos existentes de la tierra agrícola, principalmente para la producción de productos agrícolas. De los 2,26 mil millones de acres (9,1 millones de km 2 ) de tierra no sumergida de los Estados Unidos , [68] el 33% son tierras forestales, el 26% pastizales y pastizales, y el 20% tierras de cultivo. Un estudio realizado por los Departamentos de Energía y Agricultura de Estados Unidos en 2005 sugirió que, en teoría, hay 1.300 millones de toneladas secas de biomasa disponibles para el uso de etanol, manteniendo al mismo tiempo un impacto aceptable en la silvicultura y la agricultura. [69]
Actualmente, la celulosa es más difícil y más cara de transformar en etanol que el maíz o la caña de azúcar. El Departamento de Energía de Estados Unidos estimó en 2007 que producir etanol celulósico cuesta alrededor de 2,20 dólares por galón, que es entre 2 y 3 veces más que el etanol a partir de maíz. Las enzimas que destruyen el tejido de la pared celular de las plantas cuestan 0,40 dólares por galón de etanol, en comparación con 0,03 dólares por galón de maíz. [64] Sin embargo, la biomasa celulósica es más barata de producir que el maíz, porque requiere menos insumos, como energía, fertilizantes, herbicidas, y va acompañada de una menor erosión del suelo y una mayor fertilidad del suelo. Además, los sólidos no fermentables y no convertidos que quedan después de producir etanol se pueden quemar para proporcionar el combustible necesario para operar la planta de conversión y producir electricidad. La energía utilizada para hacer funcionar las plantas de etanol a base de maíz se deriva del carbón y el gas natural. El Instituto para la Autosuficiencia Local estima que el costo del etanol celulósico de la primera generación de plantas comerciales estará en el rango de $1,90 a $2,25 por galón, excluyendo los incentivos. Esto se compara con el costo actual de 1,20 a 1,50 dólares por galón de etanol de maíz y el precio minorista actual de más de 4 dólares por galón de gasolina regular (que está subsidiada y gravada). [70]
Las celulasas y hemicelulasas utilizadas en la producción de etanol celulósico son más caras en comparación con sus homólogas de primera generación. Las enzimas necesarias para la producción de etanol de grano de maíz cuestan entre 2,64 y 5,28 dólares estadounidenses por metro cúbico de etanol producido. Se prevé que las enzimas para la producción de etanol celulósico cuesten 79,25 dólares estadounidenses, lo que significa que son entre 20 y 40 veces más caras. [71] Las diferencias de costos se atribuyen a la cantidad requerida. La familia de enzimas celulasas tiene una magnitud de eficiencia de uno a dos órdenes menor. Por lo tanto, requiere de 40 a 100 veces más enzima para estar presente en su producción. Por cada tonelada de biomasa se necesitan entre 15 y 25 kilogramos de enzima. [72] Las estimaciones más recientes [73] son más bajas, lo que sugiere 1 kg de enzima por tonelada seca de materia prima de biomasa. También existen costos de capital relativamente altos asociados con los largos tiempos de incubación del recipiente que realiza la hidrólisis enzimática. En total, las enzimas representan una porción significativa del 20 al 40% de la producción de etanol celulósico. Un artículo reciente [73] estima que el rango oscila entre el 13% y el 36% de los costos en efectivo, siendo un factor clave cómo se produce la enzima celulasa. Para la celulasa producida fuera de sitio, la producción de enzimas representa el 36% del costo en efectivo. Para la enzima producida in situ en una planta separada, la fracción es del 29%; para la producción integrada de enzimas, la fracción es del 13%. Uno de los beneficios clave de la producción integrada es que la biomasa, en lugar de la glucosa, es el medio de crecimiento de las enzimas. La biomasa cuesta menos y convierte el etanol celulósico resultante en un biocombustible 100% de segunda generación, es decir, no utiliza "alimentos como combustible". [ cita necesaria ]
En general existen dos tipos de materias primas: biomasa forestal (leñosa) y biomasa agrícola . En Estados Unidos se pueden producir de forma sostenible alrededor de 1.400 millones de toneladas secas de biomasa al año. Alrededor de 370 millones de toneladas o el 30% son biomasa forestal. [74] La biomasa forestal tiene un mayor contenido de celulosa y lignina y un menor contenido de hemicelulosa y cenizas que la biomasa agrícola. Debido a las dificultades y el bajo rendimiento de etanol en la fermentación del hidrolizado de pretratamiento, especialmente aquellos con azúcares de hemicelulosa de 5 carbonos muy altos, como la xilosa, la biomasa forestal tiene ventajas significativas sobre la biomasa agrícola. La biomasa forestal también tiene una alta densidad, lo que reduce significativamente los costos de transporte. Se puede cosechar durante todo el año, lo que elimina el almacenamiento a largo plazo. El contenido casi nulo de cenizas de la biomasa forestal reduce significativamente la carga muerta en el transporte y el procesamiento. Para satisfacer las necesidades de biodiversidad, la biomasa forestal será una importante combinación de suministro de materia prima de biomasa en la futura economía de base biológica. Sin embargo, la biomasa forestal es mucho más recalcitrante que la biomasa agrícola. Recientemente, el Laboratorio de Productos Forestales del USDA, junto con la Universidad de Wisconsin-Madison, desarrollaron tecnologías eficientes [15] [75] que pueden superar la fuerte reticencia de la biomasa forestal (leñosa), incluidas las de especies de madera blanda que tienen un bajo contenido de xilano. El cultivo intensivo de rotación corta o el cultivo de árboles pueden ofrecer una oportunidad casi ilimitada para la producción de biomasa forestal. [76]
Las astillas de madera de los cortes y las copas de los árboles, el aserrín de los aserraderos y la pulpa de papel usado son materias primas de biomasa forestal para la producción de etanol celulósico. [77]
Switchgrass ( Panicum virgatum ) es una hierba nativa de pradera de pastos altos . Conocida por su resistencia y rápido crecimiento, esta planta perenne crece durante los meses cálidos hasta alturas de 2 a 6 pies. Switchgrass se puede cultivar en la mayor parte de los Estados Unidos, incluidos pantanos, llanuras, arroyos y a lo largo de las costas y carreteras interestatales . Es auto-siembra (no requiere tractor para sembrar, sólo para segar), resistente a muchas enfermedades y plagas, y puede producir altos rendimientos con bajas aplicaciones de fertilizantes y otros productos químicos. También es tolerante a suelos pobres, inundaciones y sequías; mejora la calidad del suelo y previene la erosión debido a su tipo de sistema radicular. [78]
Switchgrass es un cultivo de cobertura aprobado para tierras protegidas bajo el Programa de Reserva de Conservación (CRP) federal. CRP es un programa gubernamental que paga a los productores una tarifa por no cultivar en tierras en las que se cultivaron recientemente. Este programa reduce la erosión del suelo, mejora la calidad del agua y aumenta el hábitat de la vida silvestre. La tierra del CRP sirve como hábitat para la caza de tierras altas, como faisanes y patos, y una serie de insectos. Se ha considerado el uso de pasto varilla para la producción de biocombustibles en tierras del Programa de Reservas de Conservación (CRP), lo que podría aumentar la sostenibilidad ecológica y reducir el costo del programa CRP. Sin embargo, las reglas del CRP tendrían que modificarse para permitir este uso económico de la tierra del CRP. [78]
Miscanthus × giganteus es otra materia prima viable para la producción de etanol celulósico. Esta especie de pasto es originaria de Asia y es un híbrido estéril de Miscanthus sinensis y Miscanthus sacchariflorus . Tiene altos rendimientos, su cultivo es barato y prospera en una variedad de climas. Sin embargo, al ser estéril, también requiere propagación vegetativa , lo que la encarece. [79]
Se ha sugerido que el kudzu puede convertirse en una valiosa fuente de biomasa. [80]
Impulsado por subsidios y donaciones, a principios de la década de 2000 se produjo un auge en la investigación y las plantas piloto de etanol celulósico . Empresas como Iogen , POET y Abengoa construyeron refinerías que pueden procesar biomasa y convertirla en etanol, mientras que empresas como DuPont , Diversa , Novozymes y Dyadic invirtieron en investigación de enzimas. Sin embargo, la mayoría de estas plantas fueron canceladas o cerradas a principios de la década de 2010 porque los obstáculos técnicos resultaron demasiado difíciles de superar. En 2018, solo permanecía operativa una planta de etanol celulósico. [62]
A finales de la década de 2010, varias empresas intentaron ocasionalmente esfuerzos a menor escala para comercializar etanol celulósico, aunque dichas empresas generalmente se mantienen a escalas experimentales y a menudo dependen de subsidios. Las empresas Granbio, Raízen y el Centro de Tecnología Canavieira dirigen cada una una instalación a escala piloto en Brasil y en conjunto produjeron alrededor de 30 millones de litros en 2019. [81] Iogen , que comenzó como fabricante de enzimas en 1991 y se reorientó centrarse principalmente en el etanol celulósico en 2013, posee muchas patentes para la producción de etanol celulósico [82] y proporcionó la tecnología para la planta de Raízen. [83] Otras empresas que desarrollan tecnología de etanol celulósico a partir de 2021 son Inbicon (Dinamarca); Entre las empresas que explotan o planifican plantas piloto de producción se incluyen New Energy Blue (EE.UU.), [84] Sekab (Suecia) [85] y Clariant (en Rumanía). [86] Abengoa, una empresa española con activos de etanol celulósico, se declaró insolvente en 2021. [87]
La Agencia Australiana de Energías Renovables , junto con los gobiernos estatales y locales, financiaron parcialmente una planta piloto en 2017 y 2020 en Nueva Gales del Sur como parte de los esfuerzos para diversificar la economía regional lejos de la minería del carbón. [88]
A partir de 2006, el gobierno federal de Estados Unidos comenzó a promover el desarrollo de etanol a partir de materias primas celulósicas. En mayo de 2008, el Congreso aprobó un nuevo proyecto de ley agrícola que contenía fondos para la comercialización de biocombustibles de segunda generación , incluido el etanol celulósico. La Ley de Alimentos, Conservación y Energía de 2008 preveía subvenciones que cubrían hasta el 30% del costo de desarrollar y construir biorrefinerías a escala de demostración para producir "biocombustibles avanzados", que efectivamente incluían todos los combustibles no producidos a partir de almidón de grano de maíz. También permitió garantías de préstamos de hasta 250 millones de dólares para la construcción de biorrefinerías a escala comercial. [89]
En enero de 2011, el USDA aprobó 405 millones de dólares en garantías de préstamos a través de la Ley Agrícola de 2008 para apoyar la comercialización de etanol celulósico en tres instalaciones propiedad de Coskata , Enerkem e INEOS New Planet BioEnergy. Los proyectos representan una capacidad de producción combinada de 73 millones de galones estadounidenses (280.000 m 3 ) por año y comenzarán a producir etanol celulósico en 2012. El USDA también publicó una lista de productores de biocombustibles avanzados que recibirán pagos para expandir la producción de biocombustibles avanzados. [90] En julio de 2011, el Departamento de Energía de Estados Unidos otorgó 105 millones de dólares en garantías de préstamos a POET para la construcción de una planta a escala comercial en Emmetsburg, Iowa . [91]
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El Departamento de Energía planea proporcionar una garantía de préstamo de 105 millones de dólares para la expansión de una fábrica de etanol en Emmetsburg, Iowa, que pretende producir combustible para motores a partir de mazorcas, hojas y cáscaras de maíz.