De la biomasa lignocelulósica hacia el etanol

La obtención de etanol a partir de biomasa lignocelulósica tiene, al menos, cuatro etapas fundamentales: pretratamiento, sacarificación, fermentación y separación. La fermentación y la separación selectiva de etanol son comunes a los procesos que parten del almidón, pero obtener azúcares de la celulosa con buen rendimiento económico es un desafío bastante mayor que obtener azúcar de una patata.

Planta de etanol y azúcar en Brasil. El principal residuo de la caña de azúcar es el bagazo. Fotografía: Mariordo.

En la biomasa vegetal podremos encontrar, fundamentalmente, α-celulosa, hemicelulosa, lignina, cenizas, sales y sílice.

La α-celulosa está constituida por monómeros de celobiosa unidos por enlaces β–glucosídicos. A su vez, la celobiosa es un disacárido que consta de dos moléculas de glucosa. La hemicelulosa, por otra parte, tiene una estructura más compleja, encontrando hexosas y pentosas sin un orden definido, además de múltiples ramificaciones. Su aprovechamiento para producir azúcares sencillos y fermentables, no obstante, es igualmente posible: arabinosas, xilosas, además de, también aquí glucosas. Si bien el producto principal de la sacarificación es una mezcla de celobiosa, glucosa, xilosa y, en menor medida, otros monosacáridos y disacáridos, también se da lugar a productos que son fruto de una hidrólisis incompleta: celotriosas, celotetrosas, etc.

Los demás componentes, lamentablemente, no resultan en azúcares fermentables.

El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica se alza como una etapa importantísima y que, con razón, suscita muchísimo interés en la investigación. Los métodos seguidos deben separar o degradar los compuestos no deseados, pero sin degradar los carbohidratos a compuestos no fermentables o, peor aún, tóxicos para los microorganismos alcoholizantes. Y, además, deben llevarse bien con el medio ambiente: ¿qué sentido tendría fabricar etanol con un fin medioambiental, si en el proceso contaminas más que produciendo gasolina? Esto invalida opciones de tratamiento con compuestos de azufre o de cloro que generen mercaptanos o efluentes con compuestos halogenados. Algunas posibilidades son: agua muy caliente, ácidos muy diluidos, amoniaco concentrado, etanol, etc.

Se entiende por sacarificación el proceso consistente en obtener oligosacáridos a partir de polisacáridos, fundamentalmente la celulosa. En la obtención de bioetanol desde celulosa, la sacarificación es la etapa previa a la fermentación: su objetivo es obtener azúcares fermentables. La obtención de biocombustibles no es la única utilización posible de esos oligosacáridos: también pueden ser empleados en la preparación de disolventes, en fármacos y productos alimenticios, y en la manufactura de bioplásticos, como el ácido poliláctico.

Henri Braconnot, químico, farmacéutico y botánico francés. La sacarificación de materiales lignocelulósicos no fue su único descubrimiento.

El primer proceso conocido de sacarificación de celulosa data de 1819, y fue llevado a cabo por H. Braconnot. Desde entonces, se han propuesto y ensayado centenares de métodos de hidrólisis de celulosa, empleando toda clase de agentes: ácidos, álcalis, oxidantes, microorganismos, enzimas, catalizadores heterogéneos, etc. Sin embargo, muchos procesos que obtienen grandes resultados a escala de laboratorio, cuando se ensayan a escala industrial, dan lugar a rendimientos muy inferiores. Actualmente, hay dos clases de métodos que destacan por distinto motivo:

• los tradicionales procesos de sacarificación con ácidos, con un recorrido y una vigencia de nada menos que 195 años, aún relevantes en la actualidad;
• los más novedosos bioprocesos de sacarificación con enzimas y/o con microorganismos, que en los últimos años están centrando el interés de investigadores y productores de bioetanol.

Una vez hemos conseguido tener una gran cantidad de pequeños sacáridos, sobre todo glucosa, en el medio de reacción, entra en juego el mejor amigo del hombre. No, el mejor amigo del hombre no es el perro. Nuestros mejores amigos son los hongos (levaduras, concretamente) y las bacterias que, en su proceso metabólico, toman azúcares como sustrato y desprenden etanol. Por ejemplo, la levadura S. cerevisiae. Así ha sido desde que el hombre descubrió cómo hacer cerveza y distintos tipos de bebidas alcohólicas. En la actualidad, claro está, el alcohol etílico tiene más fines, y uno de ellos es proporcionar energía de forma mucho más limpia que un combustible fósil.

S. cerivisiae, a sus anchas en su medio de cultivo.