FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

Las plantas almacenan la mayor parte de la energía solar que captan en forma de hidratos de carbono. Estos hidratos de carbono pueden presentarse de manera simple, en forma de azúcares, o en forma de polímeros: almidón o celulosa.

Cualquier producto que contenga azúcares fermentable o hidratos de carbono transformables en aquéllos (almidón o celulosa) puede servir para obtener alcohol. Este hecho es conocido hace varios milenios, durante los cuales se ha obtenido alcohol a partir de diversas materias primas en forma de bebidas alcohólicas (vino, ron, whisky, cerveza). Ahora bien, dependiendo del tipo de biomasa de partida, es necesario analizar con detalle el rendimiento de este proceso de conversión de la biomasa en alcohol combustible, para poder evaluar su viabilidad técnica y económica, ya que, cuando la materia prima es rica en almidón o celulosa, es necesario someterla previamente a ciertos procesos para transformarla en compuestos fermentables.

Se distinguen tres grandes grupos de biomasa susceptible de ser fermentada a alcohol, que se muestran en la siguiente tabla:

Sentadas estas bases, se puede dividir el proceso global de obtención de etanol a partir de biomasa en las siguientes etapas:

• Pretratamiento de la materia prima
• Hidrólisis
• Fermentación alcohólica
• Separación y purificación del etanol

Obsérvese que este esquema es una generalización del proceso, ya que la etapa de hidrólisis es opcional, dependiendo de la biomasa que se vaya a procesar.

Pretratamiento de la biomasa

El pretratamiento tiene como objetivo transformar la biomasa a utilizar cuando ésta es poco asequible a la fermentación. El tratamiento más general y aplicable a todas las materias primas, ya que su objetivo fundamental es reducir éstas a partículas pequeñas, de forma que aumente la superficie de contacto para los procesos posteriores, es el mecánico, consistente en la trituración, molienda, pulverización, etc. de la biomasa.

Cuando se trabaja con biomasa que contiene almidón, se suele someter ésta, además, a una cocción, con objeto de gelatinizarla, es decir, impregnarla bien de agua para obtener una masa homogénea. La celulosa generalmente se trata con diversos agentes químicos (ácidos, principalmente), que permiten solubilizarla y separarla de la lignina, sustancia no fermentable.

Hidrólisis

La hidrólisis, o ruptura de las moléculas en medio acuoso, tiene como finalidad la transformación de los polímeros de glucosa (almidón y celulosa) en azúcares sencillos. Esta operación se efectúa, bien mediante fermentos o enzimas (hidrólisis enzimática), bien mediante el uso de reactivos químicos (hidrólisis química).

La hidrólisis enzimática se lleva a cabo con la ayuda de enzimas obtenidos de microorganismos, dependiendo las condiciones óptimas del proceso de la naturaleza del organismo productor de enzimas, y sus rendimientos del pretratamiento efectuado y del sustrato empleado.

La hidrólisis química de la celulosa se efectúa preferentemente con los ácidos clorhídrico y sulfúrico (hidrólisis ácida) o con una base fuerte (hidrólisis alcalina). Aunque en este caso la reacción es mucho más rápida que en la hidrólisis enzimática, las temperaturas de trabajo son muy superiores (mayor consumo de energía) y se producen problemas de corrosión.

Fermentación alcohólica

Una vez que la biomasa conteniendo hidratos de carbono se ha transformado en una solución azucarada se puede someter esta a un proceso de fermentación con objeto de convertir los azúcares en etanol.

La fermentación alcohólica es el proceso de conversión de la glucosa en etanol, por la acción de microorganismos. Esta transformación se produce a través de una compleja secuencia de reacciones que puede expresarse, desde el punto de vista tecnológico, por la siguiente ecuación:

Según esta reacción, de 100 kg de glucosa se obtienen 51,1 kg de etanol y 48,9 kg de dióxido de carbono. En la práctica, el rendimiento real en etanol es menor que el valor teórico, ya que aproximadamente un 5% de glucosa es utilizado por el microorganismo para producir nuevas células y otros productos de su metabolismo.

Los microorganismos generalmente empleados son las levaduras, hongos unicelulares ampliamente distribuidos en la Naturaleza. Los más utilizados en la fermentación alcohólica son los de la familia Saccharomyces (S. cerevisiae). En la acción de la levaduras influye una gran cantidad de factores, entre los que destaca la temperatura, el pH y la concentración de azúcares.

Tradicionalmente, la fermentación alcohólica ha sido un proceso discontinuo de duración entre 2 y 3 días, después de los cuales se retira la masa fermentada para su destilación.

Separación y purificación del etanol

En la masa de fermentación, el etanol sólo se encuentra en una concentración máxima del 8 al 12%. Esto obliga a una concentración de la disolución si se quiere obtener el etanol libre de agua. Industrialmente se emplea la rectificación (una forma de destilación) para separar el etanol de la masa fermentada. Esta operación se hace normalmente en dos etapas. En la primera destilación, la fracción de cabeza contiene etanol al 50 - 60% y otros productos, mientras que la cola está compuesta por una disolución de proteínas, azúcares y vitaminas, que puede utilizarse en la elaboración de piensos compuestos para animales.

El efluente intermedio contiene una disolución de etanol al 95%, pureza imposible de superar por destilación ya que se trata de una mezcla azeotrópica, es decir, de punto de ebullición constante. Este etanol es el que se encuentra comercializado en la actualidad.

Como resumen del proceso de transformación de la biomasa en etanol se presenta el siguiente esquema:

Esquema global del proceso de obtención de etanol

Si el objetivo de la planta es obtener etanol anhidro o absoluto, es preciso romper el azeótropo agua-etanol, lo que generalmente se consigue procediendo a una nueva destilación utilizando un tercer componente (benceno, éter, hexano, etc.), que forme a su vez un azeótropo con el agua y libere al etanol seco. La pureza normal del etanol obtenido por este procedimiento es del 99,5%. Obsérvese que, cualquiera que sea el agente empleado para formar este nuevo azeótropo, ha de reciclarse posteriormente por razones económicas.

El etanol como combustible.

El etanol tiene numerosas aplicaciones industriales como disolvente y como combustible. Históricamente, el empleo del etanol como combustible de automóvil data de los años posteriores a la Primera Guerra Mundial, cuando en Inglaterra funcionaron automóviles con mezclas de gasolina y etanol. Posteriormente, en 1935, Henry Ford fabricó un modelo de automóvil con un carburador adecuado para funcionar con etanol, gasolina o una mezcla de ambos. El alcohol se abandonó como combustible después de la Segunda Guerra Mundial, cuando el petróleo se convirtió en un producto abundante y barato.

Actualmente sin embargo, vivimos precisamente una situación inversa (petróleo escaso y caro), con lo que se está convirtiendo en un hecho cada vez más importante el plantearse de nuevo la posibilidad de utilizar alcohol como combustible. Así, en la actualidad son varios los países que están estudiando el empleo del etanol, obtenido de la biomasa, como combustible, bien como componente único, bien como mezclas con gasolinas.

Para analizar las propiedades del etanol como sustitutivo total o parcial de la gasolina en su uso como combustible es necesario, en primer lugar, conocer las propiedades de cada uno de estos productos y sus posibles interrelaciones en caso de mezcla.

Las propiedades físico-químicas de interés para el estudio del comportamiento del etanol como combustible en motores de automóvil aparecen comparadas con las de la gasolina en la siguiente tabla:

Los diversos estudios realizados hasta el momento respecto al uso como combustible del etanol muestran, en primer lugar, que el etanol y la gasolina no son combustibles intercambiables para un mismo vehículo. Las modificaciones fundamentales que hay que hacer en un motor de gasolina que ha de trabajar con etanol se pueden resumir en los siguientes puntos:

• Aumento de la relación de compresión.
• Recalibrado del carburador.
• Calentamiento del aire que entra al carburador.
• Modificación del sistema de encendido.
• Uso de bujías especiales.

Realizando estos cambios (ya existen modelos Fiat y Volkswagen que utilizan exclusivamente etanol en sus motores) se ha logrado un incremento de la potencia del 15%, una mayor eficacia térmica (30%), menos emisiones de monóxido de carbono, pero a costa de un mayor consumo (alrededor de un 20%).

Sin embargo la adición de etanol anhidro (alrededor de un 10% en volumen) a la gasolina (mezcla conocida como gasohol), utilizando un motor convencional, aumenta su capacidad antidetonante, lo que permite reducir la adición de componentes de plomo a la gasolina, altamente contaminantes. Así mismo, este hecho podría ahorrar el petróleo correspondiente al volumen de gasolina sustituido, más el correspondiente al combustible empleado en las refinerías para obtener gasolinas de un índice de octano más elevado.

Economía del etanol

El balance energético de los diversos procesos de obtención de etanol depende fuertemente del pretratamiento requerido para hacer el material fermentable. El coste energético del pretratamiento depende, a su vez, de la complejidad de la biomasa y es creciente en la secuencia: azúcares, almidón y celulosa. La energía final requerida dependerá también de si se utiliza material combustible constituyente de la biomasa que se está tratando (sus residuos) como sustituto parcial de los aportes de energía de los combustibles fósiles que se han de emplear a lo largo del proceso.

Todo ello ha hecho que algunos países consideren seriamente al etanol como una importante fuente energética a medio plazo, habiendo surgido al respecto innumerables proyectos de investigación y desarrollo.

En este aspecto, el caso más conocido es del de Brasil, cuyo plan de sustitución de la gasolina por alcoholes se gestó como consecuencia de la crisis de 1973. La primera fase del programa se comenzó a desarrollar en 1975, pudiéndose decir actualmente que se continúa con perseverancia en el mismo.

En la siguiente tabla se muestra la evolución de la producción de etanol en Brasil.