Biocombustibles, en busca de alternativas sostenibles

Cuatro investigaciones de la Facultad de Ingeniería buscan, por diferentes métodos, ofrecer al país combustibles verdaderamente competitivos, a partir de residuos o subproductos de la industria. Así se proponen soluciones a la implementación de tecnologías y energías sostenibles.

La investigación en biocombustibles de segunda generación, que se podrían obtener a partir de biomasa — residuos lignocelulosos de la agroindustria colombiana— para producir etanol o gasolina, además de otros subproductos, es una búsqueda en la que están empeñadas cuatro investigaciones de la Facultad de Ingeniería. Estos biocombustibles serían verdaderamente amigables con el medio ambiente, no competirían con la industria alimentaria ni comprometerían el cultivo de tierras para producir energía para los automóviles —como sucede hoy con la caña de azúcar y con la palma de aceite— y, además, solucionarían un problema de utilización de los subproductos derivados de estas industrias que son contaminantes y representan un problema para un país como Colombia, donde se produce en enormes cantidades.

Las investigaciones, que buscan enfrentar el tema con cuatro procedimientos diferentes, podrían ofrecer alternativas o complementos viables a los combustibles fósiles, responsables en buena medida de la emisión de los gases de efecto invernadero. Sin embargo, las tecnologías existentes para la obtención de biocombustibles implican una inversión que no puede competir con los derivados del petróleo, aunque las investigaciones que se realizan en todo el mundo pueden solucionar este escollo al cabo de 10 o 15 años.

En Colombia se utilizan caña de azúcar y palma de cera para obtener etanol, biogás y biodiesel, con una evidente competencia frente a productos de la canasta familiar —el azúcar y el aceite de palma— y comprometiendo tierras de cultivo de alimentos para satisfacer la demanda, que aumentará en 2012, cuando entre en vigor el documento Conpes 3510 que determina que la gasolina deberá contener un 20% de este alcohol. Para evitar esa competencia entre el consumo humano y el de los carros se propone producir biocombustibles que utilicen como sustrato derivados industriales o desechos. Esa es la línea de investigación que atraviesa los proyectos de diferentes departamentos de la Facultad de Ingeniería: Manuel Rodríguez, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, trabaja en la producción de biocombustibles a partir de excrementos y de basuras; Rocío Sierra, profesora del Departamento de Ingeniería Química, a partir de la fermentación de residuos lignocelulosos; Gerardo Gordillo, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica, con la conversión de biomasa en combustibles gaseosos o líquidos, usando procesos termoquímicos. Andrés González Barrios, profesor del Departamento de Ingeniería Química, está involucrado en tres investigaciones. En la primera emplea modelos computacionales para optimizar el metabolismo de una bacteria y así acelerar la producción de etanol a partir de subproductos de la industria del aceite de palma —Colombia es el tercer productor del mundo— como el glicerol, un alcohol, del cual hay sobreoferta. También participa en otra investigación
que busca microorganismos nativos del país capaces de sintetizar varias clases de alcohol, así como otros diferentes en una librería metagenómica que degraden la tusa de palma de aceite para aumentar la eficiencia del proceso de producción de etanol.

Explica González Barrios, ingeniero químico, doctorado en Ingeniería Química de la Universidad de Connecticut, que el etanol, el alcohol que tradicionalmente se usa como combustible, tiene varios problemas: es de difícil almacenamiento porque es muy volátil; es muy corrosivo en motores, problema que se acentúa a mayor concentración. Y de un litro de gasolina se obtiene más energía que de un litro de etanol, lo cual incide en la potencia del carro. Conscientes de ello, investigadores de todo el mundo buscan utilizar otra clase de alcoholes, tales como el butanol o el 1.3 propadienol, con los que se puede obtener más energía, no son tan corrosivos y son menos volátiles.

“Junto con el centro de investigaciones microbiológicas — explica González Barrios—, buscamos aislamientos colombianos, es decir, microorganismos de nuestro suelo que sean capaces de sintetizar, a partir del glicerol, en estos alcoholes. Esto es: se coge una muestra de tierra (aislamientos) y se pone a crecer en glicerol, para establecer cuáles son los microorganismos que se multiplican. Se están caracterizando genéticamente y se están haciendo los ensayos de producción a nivel de 10 litros en fermentador”.

Al mismo tiempo, junto con Corpogen, un importante centro de investigación colombiano, trabaja en la búsqueda de enzimas capaces de degradar celulosa, un procedimiento necesario para el proceso de sacarificación que lleva a la producción de etanol. Los investigadores de Corpogen, que desarrollan el proyecto llamado GebixR de metagenómica de ambientes extremos, “recogen muestras de diferentes sitios en Colombia y purifican el ADN. Luego, nuestro grupo, junto con el Laboratorio de Micología y Fitopatología de la Universidad de los Andes (LAMFU), busca ADN en librerías de metagenómica con la capacidad de degradar la tusa de palma de aceite —celulosa—. Este trabajo pretende aumentar la eficiencia del proceso de producción de etanol para que este biocombustible sea más competitivo frente a la gasolina, que hasta ahora sigue siendo más barata”, explica el ingeniero químico.

Una vez se establece cuáles son, se purifica la enzima y se caracteriza, es decir, se establece a qué velocidad reacciona y cuál es la secuencia del gen que expresa esa proteína, entre otros. Finalmente, por medio del modelamiento matemático se trata de explicar por qué es la enzima que puede romper ese largo polímero que es la celulosa.

Estas investigaciones, todavía en etapa incipiente, podrían influir en un cambio de rumbo del país frente a la producción de biocombustibles más amigables con el medio ambiente y verdaderamente competitivos frente a los combustibles fósiles.

LOS GRUPOS: Centro de Investigaciones Microbiológicas (CIMIC) y Laboratorio de Micología y Fitopatología (LAMFU) y Corpogen.

CONTACTO: Andrés González Barrios, ingeniero químico, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Química. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Combustibles de la condensación de gases

Del hidrógeno se obtiene una de las energías más amigables con el medio ambiente pues su combustión genera vapor de agua. Se puede obtener de desechos agroindustriales.

Producir combustibles gaseosos o líquidos usando aire y vapor en procesos termoquímicos de conversión de energía, a partir de biomasa como sustrato, es la investigación que realiza Gerardo Gordillo.

Uno de los trabajos busca obtener hidrógeno de la gasificación de biomasa para usarlo como un combustible de alto poder calorífico y no contaminante, pues su combustión produce calor y vapor de agua.

En este proceso también se genera CO2 que se separaría del hidrógeno y se inyectaría en pozos de petróleo vacíos. La idea, al enterrarlo, es no enviarlo hacia la atmósfera. Pero además, asegura Gordillo, posiblemente dentro de millones de años se convertiría de nuevo en petróleo.

Explica también que, aunque la gasolina generada con biomasa es igual a la del petróleo, el CO2 producido en la combustión no es contaminante porque ha sido tomado de la atmósfera: “Es un combustible neutro, que no adiciona carbón al medio ambiente como lo hacen los combustibles fósiles cuando se extraen, pues el carbón que estaba bajo tierra se arroja como gas al aire”.

En otro de los trabajos investiga la producción de gasolina, ACPM y alcohol por un método denominado pirólisis. De acuerdo con el ingeniero mecánico, doctorado de la Universidad de Texas A&M (Estados Unidos), la biomasa tiene entre 70 y 80% de ‘materia volátil’ que, cuando se calienta, se volatiliza. Está compuesta por gases que, al condensarlos, producen una especie de crudo de petróleo biológico, un crudo tecnológico. Al añadirle hidrógeno por medios químicos se obtienen combustibles líquidos. Gerardo Gordillo ha caracterizado una parte de la biomasa producida en la agroindustria colombiana, por medio de un análisis termoquímico para conocer todos sus componentes —carbón, ceniza, humedad, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno—: bagazo de caña, cascarilla de café, cascarilla de arroz, la fibra y la tusa de la palma de cera, que es la más promisoria porque tiene más hidrógeno. Estos datos se procesan para determinar la fórmula empírica que describe el tipo de biomasa. Después, por medio de modelos computacionales se estiman los gases que pueden producir variando algunos parámetros de operación como son el tipo y cantidad del agente oxidante. “Cuando el modelo muestra con cuál de los agentes se produce más hidrógeno trabajo con ese. Otra forma de caracterizar es determinar la rata de reacción —señala el ingeniero mecánico—, la cantidad de materia volátil que se evapora en una unidad de tiempo: establecer los parámetros cinéticos de la reacción pirolítica de la biomasa”.

Los resultados del modelo se comprueban experimentalmente en el laboratorio para determinar su validez. El problema, sin embargo, es que el transporte del hidrógeno es muy complicado y para almacenar un kilogramo hay que comprimirlo a unas presiones elevadas. Así que, dice Gordillo, la solución es instalar un gasificador y utilizar el combustible en el mismo lugar donde se produce, con lo cual el problema se reduce.

“Si se mira desde el punto de vista del negocio, en este momento la producción del combustible no es competitiva en comparación con la gasolina del petróleo, que tiene un costo ambiental altísimo. Pero en 10 o 15 años lo será. La ventaja de Colombia, además, es que genera una gran cantidad de biomasa”, concluye el profesor.

LOS GRUPOS: Conversión de Energía.

CONTACTO: Gerardo Gordillo, ingeniero
mecánico, profesor asistente del
Departamento de Ingeniería Mecánica.
Director del Grupo de Conversión de
Energía. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Biocombustibles por fermentación y química

Rocío Sierra investiga un proceso de conversión de residuos lignocelulósicos (principalmente material vegetal) a biocombustibles y otros productos químicos de alto valor agregado. La tecnología fue originalmente desarrollada en la Universidad de Texas A&M por el profesor Mark Holtzapple y es conocida con el nombre de “Proceso MixAlco®”. La etapa principal es una fermentación (conversión biológica), cuyo producto son sales carboxílicas que se someten a diversos mecanismos de conversión química para obtener una amplia variedad de productos, entre los que se incluyen cetonas, aldehídos, éteres y ésteres, o combustibles líquidos tales como alcoholes o gasolina. Estos métodos se pueden comparar muy bien con la refinación del petróleo y puede denominarse “biorrefinería”.

Muchos de los procesos fermentativos para la producción de bioetanol que usan como materia prima residuos lignocelulósicos requieren el uso de fermentadores de alta sofisticación y baja capacidad, que han sido profusamente esterilizados para garantizar máxima productividad. En algunos casos, los microorganismos han sido manipulados genéticamente en procesos que son dispendiosos, muy caros y que requieren extensivas y costosas sesiones de mantenimiento.

Por el contrario, las fermentaciones MixAlco® pueden hacerse en cualquier recipiente, no requieren esterilizaciones previas y no necesitan mantenimientos o cuidados especiales, salvo la vigilancia de los niveles de pH que pueden ser extremadamente bajos y por consiguiente tóxicos para los microorganismos. Esta robustez del proceso permite su fácil escalamiento y control, además del uso de cualquier tipo de materia prima.

En Colombia no hay una política para la adecuada disposición de los cientos de miles de toneladas de diversos residuos lignocelulósicos que se producen anualmente. Provienen principalmente de la industria agrícola y de alimentos, aunque también hay una buena contribución de desechos municipales. Por ello, es deseable darles un uso adecuado para la producción de biocombustibles, que alivia los problemas de abastecimiento que tienden a agravarse con el crecimiento de la población y la industrialización de los países. Rocío Sierra, ingeniera mecánica con doctorado de la Universidad de Texas A&M, investiga las condiciones de aplicabilidad del proceso MixAlco® en Colombia, puesto que se requiere el desarrollo de modelos y coeficientes que son específicos para cada sustrato. Con la colaboración de su grupo de investigación, se dedica a obtener una adecuada caracterización de la composición de los residuos lignocelulósicos tales como tusa de palma africana, cascarilla de cera de palma, material vegetal de desecho proveniente de la industria azucarera, residuos municipales, residuos del procesamiento de la fruta y otros residuos orgánicos. Con base en los resultados de esta caracterización, se está haciendo una amplia experimentación tendiente al establecimiento de las condiciones adecuadas en las que este material se prepara para la fermentación (etapa conocida como pretratamiento); además, se llevan a cabo estudios para determinar cuáles microorganismos nativos presentan alta eficiencia para ser aplicados en la fermentación.

Las sales carboxílicas producto de esta etapa del proceso son sometidas a degradación térmica y se convierten en ácidos carboxílicos que luego pueden transformarse catalíticamente en cetonas. Esto se denomina “cetonización”. Alternativamente, los ácidos carboxílicos pueden reaccionar con alcoholes para producir ésteres. La profesora Sierra, trabajando en coordinación con el grupo de investigación MixAlco® y con el doctor Holtzapple, ha
enviado hasta la fecha cinco estudiantes del pregrado del programa de Ingeniería Química a la Universidad de Texas A&M. Estos estudiantes han realizado contribuciones en estudios tendientes a establecer las condiciones en que las etapas de degradación de sales, obtención de cetonas y de ésteres dan los máximos rendimientos.

Las dos sustancias pueden someterse a procesos de hidrogenólisis de los cuales resultan alcoholes transformables catalíticamente en gasolina.

El estudio realizado por la profesora Rocío Sierra abarca, además de la parte química, la de evaluación del negocio. Asegura que el ideal es establecer diferentes puntos de fermentación en donde se produce la basura agroindustrial. Cada tanque estaría conectado por un sistema de tuberías con una biorrefinería central en donde se llevaría a cabo el proceso de producción de los diferentes derivados químicos, todos ellos de mucha demanda en el mercado industrial.

Con respecto a la economía global de proceso, se ha calculado que dos toneladas por hora de estos desechos podrían producir 2,3 millones de galones de alcohol por año; y que el costo de capital por año, para una planta de 2 ton/ hora, sería de 2,29 dólares por galón/año. Si la capacidad de la planta fuera mayor (80 ton/hora), el costo/capital por año sería de 0,55 dólares por galón/año.

El futuro inmediato de esta investigación está en acabar de encontrar los coeficientes de conversión de cada etapa, de acuerdo con los recursos del país, y afinar los costos de producción, que dependen de los resultados. Luego, dentro de varios años, se montaría una planta piloto en Colombia, para
la producción de estos combustibles y químicos que sí son amables con la naturaleza.


LOS GRUPOS: Grupo de Diseño de Productos y Procesos (GDPP) y Grupo de Conversión de Energía.

CONTACTO: Rocío Sierra, ingeniera química, profesora asistente del Departamento de Ingeniería Química. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Las basuras se transforman en energía limpia

Desde hace cuatro años, Manuel Rodríguez Susa, ingeniero químico con doctorado en Ingeniería Ambiental del Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse (Francia), trabaja con aguas residuales y desechos orgánicos para producir biogás como energía no contaminante.


Explica el profesor asistente del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental que la digestión anaerobia convierte el contaminante que está en fase líquida —por ejemplo aguas residuales— y lo lleva a fase gaseosa, y ese gas es combustible. Por medio de fermentación se puede hacer lo mismo con las basuras orgánicas. Sin embargo, ese producto es metano (CH4), uno de los gases responsables del efecto invernadero, y componente del biogás que se utiliza hoy. Así que, controlando variables como la temperatura y el pH, “evitamos la segunda parte del proceso de digestión anaerobia, cuando empieza a generarse el metano y producimos hidrógeno (H2)”. Luego, el proceso continúa hacia metano, pero en menor cantidad. Aunque este gas podría degradarse todas las veces que sea necesario para producir siempre hidrógeno y eliminar el contaminante del biogás, cuando el combustible está compuesto solamente de H2 contiene siloxanos, que causan problemas en motores de combustión, disminuyendo el efecto lubricante del aceite. Sin embargo, si se mezcla en adecuada proporción de CH4 con hidrógeno, los siloxanos tienen un menor efecto sobre el motor, disminuyendo su deterioro, explica.

La ventaja no solo radica en la disminución del gas de efecto invernadero sino también en que el hidrógeno, energéticamente, es más activo y en que, al realizarse la combustión, el motor emite agua, no CO2. Debido a estas cualidades y a su abundante presencia en la naturaleza, numerosas compañías no solo de la industria automotriz —que ya ha realizado prototipos de automóviles impulsados por hidrógeno—, están empeñadas en la investigación de este biocombustible.

De acuerdo con las pesquisas de Rodríguez y de varios de sus estudiantes de doctorado, se puede obtener hidrógeno tanto de residuos orgánicos líquidos como sólidos. Una parte de su trabajo busca obtenerlo de la combinación de estiércol de cerdo con mucílago de café, elementos que se encuentran en muchas fincas colombianas: “Estamos estudiando la codigestión, es decir, la mezcla de residuos: el estiércol, que tiene más nutrientes, con desechos vegetales, que tienen menos. El mucílago posee más carbono y al combinarlo hay mejor alimento para las bacterias responsables de la fermentación. Así se potencia el proceso”. Sin embargo, la materia orgánica es, molecularmente compleja —se denomina sustratos complejos—, de tal forma que estabilizar la producción del hidrógeno es mucho más difícil. “A eso hay que sumarle que el estiércol del cerdo no siempre es de las mismas características: si, por ejemplo, se le cambia la alimentación al animal, su composición varía también, así como si lo vacunan, entre otras razones. Ahí radica la dificultad de la estandarización del proceso”, anota Rodríguez.

Por eso, con el CIIA (Centro de Investigaciones de Ingeniería Ambiental), y ahora con la colaboración de la Escuela de Minas de Nantes (Francia), están concentrados en la producción estable del combustible en el laboratorio. Como la idea de Manuel Rodríguez Susa es que pueda haber fincas autosuficientes en la producción y generación de esta energía limpia, en dos años espera establecer un prototipo piloto en una granja para probar las bondades de sus investigaciones. Hasta el momento la inversión ha sido cercana a 400 millonesde pesos, que la Universidad ha asumido en su mayoría, más una parte financiada por el programa Ecosn Nord, de Colciencias.

EL GRUPO: Centro de Investigaciones de Ingeniería Ambiental (CIIA). Con la colaboración de Escuela de Minas de Nantes (Francia).

CONTACTO: Manuel Rodríguez Susa, ingeniero químico, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Última actualización el Miércoles, 31 Julio 2013 14:43