La bioenergía de los cultivos es una alternativa sostenible a los combustibles fósiles. Los nuevos cultivos, como la caña energética, pueden producir varias veces más combustible por acre que la soja. Sin embargo, siguen existiendo desafíos en el procesamiento de cultivos para extraer combustible de manera eficiente.
por Marianne Stein, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Cuatro nuevos estudios de la Universidad de Illinois exploran métodos de pretratamiento libres de químicos, el desarrollo de métodos de fenotipado de alto rendimiento y la viabilidad tecnoeconómica a escala comercial de producir combustible a partir de caña de energía en varios escenarios.
Los estudios son parte del proyecto ROGUE (Renewable Oil Generated with Ultra-Production Energycane) en la U de I. ROGUE se centra en la acumulación de bioingeniería de triacilglicéridos (TAG) en las hojas y tallos de la caña energética, lo que permite la producción de mucho más aceite vegetal industrial. por acre de lo que era posible anteriormente.
«La productividad de estos cultivos no alimentarios es muy alta por unidad de tierra. La soja es el cultivo tradicional que se utiliza para el biodiésel, pero podemos obtener un mayor rendimiento, más aceite y, posteriormente, más biocombustible a partir de la caña energética que produce lípidos», dice Vijay Singh. , Profesor fundador del Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica (ABE) de la U de I y coautor de los cuatro artículos.
La producción de biocombustible a partir de cultivos implica descomponer el material celulósico y extraer el aceite en una serie de pasos, explica el coautor del estudio, Deepak Kumar, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ciencias Ambientales y Silvicultura de la Universidad Estatal de Nueva York (SUNY- ESF) y científico investigador adjunto en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica de la U de I.
«El primer paso es extraer el jugo. Eso deja bagazo, un material lignocelulósico que se puede procesar para producir azúcares y luego fermentar a bioetanol», dice Kumar.
«Una de las cosas críticas en el procesamiento de cualquier biomasa lignocelulósica es un paso de pretratamiento. Es necesario romper la estructura recalcitrante del material, para que las enzimas puedan acceder a la celulosa», agrega. «Debido a que la caña energética es un cultivo relativamente nuevo, hay muy pocos estudios sobre el tratamiento previo y la descomposición de este bagazo para producir azúcares y convertir esos azúcares en biocombustibles».
El proceso de pretratamiento también produce algunos compuestos no deseados, que inhiben las enzimas que convierten el azúcar en biocombustibles. Los investigadores de la U de I investigaron los mejores métodos de pretratamiento para maximizar la degradación y minimizar la producción de inhibidores. Normalmente, el proceso de pretratamiento utiliza productos químicos como el ácido sulfúrico para descomponer la biomasa a alta temperatura y presión.
«Utilizamos un método sin productos químicos, lo que lo hace más respetuoso con el medio ambiente», explica Kumar. «Además, los productos químicos agresivos pueden alterar la estructura del aceite o la calidad de la biomasa».
Los investigadores probaron su método utilizando nueve combinaciones diferentes de temperatura e intervalos de tiempo. Pudieron lograr más del 90% de conversión de celulosa en las condiciones óptimas, lo que equivale a los resultados de los métodos de pretratamiento químico.
El segundo estudio se basó en esos resultados para investigar más a fondo la relación entre la temperatura, la producción de inhibidores y la recuperación de azúcar.
«Tratamos previamente la biomasa lignocelulósica en un rango de diferentes temperaturas para optimizar la condición de generación mínima de inhibidores sin afectar la recuperación de azúcar. Luego agregamos molienda criogénica al proceso», dice Shraddha Maitra, investigadora asociada postdoctoral en ABE y autora principal de la estudio.
«En la trituración criogénica, se trata el bagazo con nitrógeno líquido, lo que lo hace muy frágil, por lo que al triturar la biomasa se fractura fácilmente para liberar los azúcares. Esto aumentó aún más la recuperación de azúcar, principalmente xilosa, en aproximadamente un 10% en comparación con otros procesos de refinación, «Explica Maitra.
Otras industrias utilizan métodos similares, por ejemplo, para las especias y los aceites esenciales, donde es importante preservar las cualidades del producto. Pero aplicarlos a la producción de biocombustibles es nuevo.
En un tercer estudio, Maitra y sus coautores investigaron la tecnología de resonancia magnética nuclear (RMN) en el dominio del tiempo para determinar la estabilidad y recuperación de los lípidos al monitorear los cambios en los lípidos totales, unidos y libres después de varios procedimientos de preprocesamiento físico y químico de la materia prima.
El cuarto estudio del equipo de investigación investigó la viabilidad tecnoeconómica a escala comercial de la biorrefinería basada en caña de energía de ingeniería. Utilizaron modelos informáticos para simular el proceso de producción en dos escenarios diferentes para determinar la inversión de capital , los costos de producción y la producción en comparación con el biodiésel a base de soja.
«Aunque la inversión de capital es mayor en comparación con el biodiésel de soja, los costos de producción son más bajos (66 a 90 centavos por litro) que los de la soja (91 centavos por litro). Para el primer escenario, el procesamiento de energía de caña tuvo una rentabilidad general ligeramente menor que el biodiésel de soja, pero produce cinco veces más biodiésel por unidad de tierra «, dice Kumar, autor principal del estudio.
«Energycane es atractiva por su capacidad de crecer en una geografía mucho más amplia del sureste de los EE. UU. Que la caña de azúcar. Esta es una región con mucha tierra subutilizada, pero capaz de agricultura de secano», dice el director de ROGUE, Steve Long, presidente de Ikenberry Endowed Biología Vegetal y Ciencias de los Cultivos en la Universidad de Illinois.
«Como planta perenne, la caña de energía es adecuada para tierras que podrían resultar dañadas por el cultivo anual. Nuestra investigación muestra el potencial de producir unos notables 7,5 barriles de diésel por acre de tierra al año. Junto con los coproductos, esto sería considerablemente más rentable que la mayoría del uso actual de la tierra, al tiempo que tiene el potencial de contribuir en gran medida al objetivo nacional de EE. UU. de lograr cero emisiones netas de gases de efecto invernadero para 2050. Esto demuestra lo valioso que es aprovechar los éxitos ya logrados en bioingeniería energía caña para acumular aceites que son fácilmente convertido en biodiesel y biojet ”, afirma Long.
