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Un nuevo proceso simplificado transforma los residuos de madera de la agricultura y la gestión forestal en etanol

Un nuevo proceso simplificado transforma los residuos de madera de la agricultura y la gestión forestal en etanol
La autora Carolina Araujo Barcelos prepara la biomasa leñosa para su deconstrucción en azúcares fermentables. Crédito: Berkeley Lab

Dependencia de los combustibles derivados del petróleo e incendios forestales devastadores: dos desafíos separados a gran escala que podrían abordarse mediante un avance científico.


por Aliyah Kovner, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley


Los equipos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y los Laboratorios Nacionales Sandia han colaborado para desarrollar un proceso simplificado y eficiente para convertir la materia vegetal leñosa como el crecimiento forestal excesivo y los desechos agrícolas (material que actualmente se quema intencionalmente o no) en biocombustible líquido. Su investigación se publicó recientemente en la revista ACS Sustainable Chemistry & Engineering .

«Según un informe reciente, para el 2050 habrá 38 millones de toneladas métricas de biomasa leñosa seca disponibles cada año, lo que la convierte en una fuente de carbono excepcionalmente abundante para la producción de biocombustibles», dijo Carolina Barcelos, ingeniera de procesos senior en Biocombustibles Avanzados de Berkeley Lab y Unidad de Desarrollo de Procesos de Bioproductos (ABPDU).

Sin embargo, los esfuerzos para convertir la biomasa leñosa en biocombustible generalmente se ven obstaculizados por las propiedades intrínsecas de la madera que hacen que sea muy difícil de degradar químicamente, agregó el científico investigador de ABPDU Eric Sundstrom. «Nuestros dos estudios detallan una vía de conversión de bajo costo para fuentes de biomasa que de otro modo se quemarían en el campo o en pilas de tala, o aumentarían el riesgo y la gravedad de los incendios forestales estacionales. Tenemos la capacidad de transformar estas fuentes de carbono renovables de la contaminación del aire y peligros de incendio en un combustible sostenible «.

Un nuevo proceso simplificado transforma los residuos de madera de la agricultura y la gestión forestal en etanol
Fotos entre bastidores. Se ve a Jipeng Yan, coautor del artículo de Sundstrom y Barcelos y ex ingeniero de procesos senior en ABPDU recogiendo astillas de madera. Crédito: Berkeley Lab

En un estudio dirigido por Barcelos y Sundstrom, los científicos utilizaron productos químicos no tóxicos, enzimas disponibles comercialmente y una cepa de levadura especialmente diseñada para convertir la madera en etanol en un solo reactor o «olla». Además, un análisis tecnológico y económico posterior ayudó al equipo a identificar las mejoras necesarias requeridas para alcanzar la producción de etanol a $ 3 por galón de gasolina equivalente (GGE) a través de esta vía de conversión. El trabajo es el primer proceso integral para la producción de etanol a partir de biomasa leñosa que presenta una alta eficiencia de conversión y una configuración simple de un solo recipiente. (Como sabe cualquier cocinero, las recetas de una olla siempre son más fáciles que las que requieren varias ollas y, en este caso, también significa un menor uso de agua y energía).

En un estudio complementario, dirigido por John Gladden y Lalitendu Das en el Joint BioEnergy Institute (JBEI), un equipo ajustó el proceso de un solo recipiente para que pudiera convertir la biomasa leñosa de California, como pino, almendra, nuez, y escombros de abetos, con el mismo nivel de eficiencia que los métodos existentes utilizados para convertir la biomasa herbácea, incluso cuando la entrada es una mezcla de diferentes tipos de madera.

«Al eliminar la biomasa leñosa de los bosques, como los pinos crecidos de la Sierra, y de las áreas agrícolas como los huertos de almendros del Valle Central de California, podemos abordar múltiples problemas a la vez: incendios forestales desastrosos en estados propensos a incendios, peligros de contaminación del aire por quemas controladas de residuos de cultivos y nuestra dependencia de los combustibles fósiles «, dijo Das, un becario postdoctoral en JBEI y Sandia. «Además de eso, reduciríamos significativamente la cantidad de carbono añadido a la atmósfera y crearíamos nuevos puestos de trabajo en la industria de la bioenergía».

Un nuevo proceso simplificado transforma los residuos de madera de la agricultura y la gestión forestal en etanol
Una instantánea del proceso de conversión, desde la madera hasta el etanol purificado. Crédito: Eric Sundstrom y Carolina Araujo Barcelos / Berkeley Lab

El etanol ya se utiliza como aditivo para reducir las emisiones en la gasolina convencional, y por lo general constituye alrededor del 10% de la gasolina que inyectamos en nuestros automóviles y camiones. Algunos vehículos especiales están diseñados para funcionar con combustible con una mayor composición de etanol de hasta un 83%. Además, el etanol generado a partir de la biomasa vegetal se puede utilizar como ingrediente para fabricar combustibles diésel y para aviones más complejos, que están ayudando a descarbonizar los sectores de la aviación y el transporte de mercancías, que son difíciles de electrificar. Actualmente, la fuente más común de etanol de base biológica son los granos de maíz, un material con almidón que es mucho más fácil de descomponer químicamente, pero que requiere tierra, agua y otros recursos para su producción.

Estos estudios indican que la biomasa leñosa se puede descomponer de manera eficiente y convertir en biocombustibles avanzados en un proceso integrado que es competitivo en costos con el etanol de maíz a base de almidón. Estas tecnologías también se pueden utilizar para producir biocombustibles «directos» que son químicamente idénticos a los compuestos que ya están presentes en la gasolina y el diesel.

Los siguientes pasos en este esfuerzo son desarrollar, diseñar e implementar la tecnología a escala piloto, que se define como un proceso que convierte una tonelada de biomasa por día. Los equipos de Berkeley Lab están trabajando con Aemetis, una compañía avanzada de combustibles renovables y bioquímicos con sede en el Área de la Bahía, para comercializar la tecnología y lanzarla a mayor escala una vez que se complete la fase piloto.