© The Mother Earth News, 1980
Construcción y uso de un alambique para etanolSe puede hacer etanol con productos agrícolas de muchos tipos. La elección no consiste en elegir el que tenga mayor rendimiento, también es una cuestión económica. La elección de la materia prima para etanol depende del coste de producción, el precio de venta, y del tipo de maquinaria de la explotación agrícola. Naturalmente, los cereales, verduras, y frutas deteriorados muy baratos serían lo mejor, pero no son siempre están disponibles.
Un agricultor que cultive su propia materia prima elegirá el cultivo que le proporcione una mayor cantidad de almidón o de azúcar. Actualmente la remolacha azucarera parece un cultivo ideal para la producción de etanol, está tan barata que muchas fábricas de azúcar están cerrando. Además tiene un buen rendimiento de alcohol por acre. El maiz está en el límite: a 2,50 $ por bushel, sería una buena elección para el agricultor transformar su cultivo en alcohol y aprovechar el grano destilado como alimento para su ganado... pero si el precio llegara a 3,00 $ por bushel, ya no sería tan buena idea. El precio de la gasolina también es un factor determinante. Cuanto más se encarece la gasolina más rentable sale transformar en combustible productos agrícolas, si el precio de dichos productos sigue siendo barato.
Pero emplear los cultivos alimenticios como fuente de combustible es una solución a corto plazo. Cuando se avance en la comprensión y utilización de los procesos enzimáticos se podrá producir etanol con materiales de desecho. Los desechos forestales, la basura, las aguas residuales, y los rastrojos se podrían fermentar. En las tierras baldías, donde no se cultivan alimentos, se pueden cultivar plantas especiales, como la pataca (tupinambo), el kudzu, y otras.
Actualmente la producción de enzimas para descomponer la celulosa todavía está en desarrollo, pero se espera que en pocos años estén disponibles para los pequeños productores de etanol.
Sin embargo, hasta que las enzimas para ceulosa sean baratas, el agricultor tendrá que decidir qué plantas cultivar para su producción de etanol.
Se puede producir etanol a partir de muchas materias primas y desechos. La conveniencia de cada materia prima se puede calcular por su rendimiento de etanol, su disponibilidad por estación y región, y su coste.
Las materias primas para la producción de etanol se pueden clasificar en tres grupos: las que contienen azúcar, las que contienen almidón y las que contienen celulosa.
Los procesos de fermentación y destilación para el almidón y el azúcar con casi idénticos. Las diferencias son el almacenamiento de la materia prima, la preparación para la fermentación y el tipo de subproductos.
El tipo de materia prima influye en su almacenamiento y en la temporada de actividad de la planta productora a lo largo del año. Los cereales se almacenan de la misma manera tanto si son para producir etanol como si son para alimentación. Hay que controlar el grado de humedad para que no se estropeen.
El sorgo dulce, la caña de azúcar y la remolacha azucarera duran poco tiempo si no se da un tratamiento a la cosecha.
Tradicionalmente la industria azucarera ha prolongado su temporada de actividad almacenando el azúcar en forma de melaza. Así dura mucho más. Las patatas se pueden almacenar durante seis meses, aproximadamente, antes de que el almidón empiece a deteriorarse.
La fruta pasada o estropeada dura muy poco, y hay que procesarla lo antes posible. Sin embargo la cantidad de alcohol que proporcionan con estos materiales ayuda a aliviar su problema de disponibilidad.
La preparación consiste básicamente en el machacado y la extracción del azúcar, de la que puede alimentarse la levadura inmediatamente. Pero hay que procesar estas cosechas rápidamente antes de que se estropeen por su gran contenido de azúcar y agua. Mantenerlos almacenados no es práctico.
Caña de azúcar: solamente se cultiva en cuatro estados (Florida, Louisiana, Texas, y Hawaii), pero son híbridos (como el saccharum spontaneum) que se pueden cultivar en esas latitudes. La caña de azúcar tiene la ventaja de que genera una gran cantidad de azúcar y de resíduos por cada acre cultivado. Los resíduos se utilizan en Brasil para proporcionar calor a las destilerías.
Remolacha azucarera: aunque se cultive en muchas partes de EE.UU., hay que rotarla con otros cultivos (se puede cultivar un terreno con remolacha una vez cada cuatro años). Auqnue los subproductos de la remolacha no se pueden utilizar como combustible para la planta de etanol, la pulpa de remolacha y las coronas son un pienso excelente, húmedas o secas. Las coronas también se pueden dejar sobre el terreno para fertilizar y evitar la erosión.
El interés en la producción de etanol a partir de cultivos ha favorecido la investigación en el desarrollo de cultivos azucareros distintos de los comerciales. El sorgo dulce, el tupinambo y la remolacha forrajera son tres de los cultivos que se están investigando.
Sorgo dulce. Sorgo dulce es el nombre de algunas variedades de una especie de sorgo: el sorgo bicolor. Antes era cultivado a pequeña escala para la producción de melaza de sorgo, pero se pueden cultivar otras variedades para la producción de azúcar. Las especies de sorgo más comunes son las que se cultivan por su grano.
El sorgo dulce tiene dos ventajas sobre la caña de azúcar: es muy tolerante a un amplio rango de condiciones metereológicas y del suelo, y su rendimiento de etanol por acre es relativamente bueno. Es posible cosecharlo de tres maneras: 1) se cosecha y almacena la planta entera; 2) se corta en pedazos pequeños (cuatro pulgadas de largo) si se piensa extraer el jugo inmediatamente; 3) se puede cosechar y trocear para ensilarlo. Durante el cosechado hay que tener en cuenta que muchas variedades de sorgo dulce proporcionan una cantidad significativa de grano.
Las hojas y el residuo fibroso del sorgo dulce contienen muchas proteínas, y son un buen alimento para ganado tras la extracción del jugo. La fibra también sirve como combustible para el proceso de producción de etanol.
Tupinambo. El tupinambo ha demostrado un potencial excelente como cultivo azucarero alternativo. Es miembro de la familia del girasol, originario de norteamérica y bien adaptado a climas fríos. Al igual que la remolacha azucarera el tupinambo produce azúcar y la almacena en las raíces y en tubérculos. Puede crecer en distintos tipos de suelo, aunque sean poco fértiles. Es perenne: la planta vuelve a crecer a partir de los pequeños tubérculos que quedan en suelo, de forma que no es necesario arar ni sembrar.
Aunque tradicionalmente se ha cultivado por el tubérculo, hay una alternativa. Se ha observado que la mayor parte del azúcar producida en las hojas no se desplaza hasta el tubérculo hasta que la planta casi ha alcanzado el final de su vida productiva. Por lo tanto sería posible cosechar cuando el contenido en azúcar en el tallo alcance su máximo, dejando el tubérculo en el suelo. En este caso la maquinaria cosechadora y los procedimientos son esencialmente los mismos que al cosechar sorgo dulce o maiz para ensilado.
Remolacha forrajera. Este es otro cultivo azucarero prometedor, que está siendo desarrollado en Nueva Zelanda. En casi todos los aspectos agronómicos es parecido a la remolacha azucarera. Lo interesante de este cultivo es su mayor rendimiento de glúcidos fermentables por acre respecto a la remolacha azucarera, y su menor pérdida de dichos glúcidos durante el almacenamiento. El cultivo de remolacha forrajera también necesita menos cuidados que el de la remolacha azucarera.
Fruta. Algunos cultivos frutícolas, como la uva, son la materia prima para la producción de vino. No son adecuados para la producción de combustible por su gran valor de mercado para la alimentación humana. Sin embargo los subproductos del procesado de la fruta se pueden emplear como materia prima porque la fermentación es una manera barata de reducir el impacto medioambiental de los residuos sin tratar.
En los cultivos amiláceos la mayor parte de los glúcidos se encuentra en forma de almidón. La levadura no puede alimentarse de almidón. Antes hay que dividir sus moléculas en monosacáridos y disacáridos. Este proceso, que fue descrito en el capítulo anterior, es relativamente sencillo gracias a las enzimas que rompen fácilmente los enlace químicos. También se puede hacer con una disolución ácida diluída.
La producción de etanol a partir de almidón tiene ventajas y desventajas. La mayor desventaja es que para descomponer el almidón son necesarios más equipamiento, trabajo y energía. Sin embargo este coste añadido no es grande comparado con el resto de los costes de la producción de etanol. La mayor ventaja es la facilidad con que se puede almacenar la materia prima, con una pérdida mínima de glúcidos fermentables. A los microbios les cuesta alimentarse de almidón. Algunos microorganismos son capaces de romper las moléculas de almidón en determinadas condiciones de temperatura, humedad y acidez, pero muy despacio. Cuando la cosecha tiene un 12% de humedad (la mayoría de los microorganismos no puede vivir con tan poca agua) el deterioro del almidón, las proteínas y las grasas es mínimo. Hay dos categorías de cultivos amiláceos: los cereales (maiz, sorgo, trigo y cebada) y los tubérculos (patata, boniato). La producción de bebidas alcohólicas a partir de estos dos tipos de cultivo está muy desarrollada.
Gran parte de la investigación agrícola para optimizar la producción de etanol y piensos está centrada en cultivos azucareros no convencionales, como el sorgo dulce. Sin embargo es posible seleccionar nuevas variedades de cereales y tubérculos que produzcan más etanol por acre. Por ejemplo, al seleccionar una variedad de trigo, normalmente se busca que tenga mucha proteína. Para la producción de etanol es mejor que tenga mucho almidón. Es bien sabido que las variedades de trigo con menos proteína y más almidón producen más grano por acre, y por lo tanto más etanol por acre.
Los tallos y las hojas de los cultivos amiláceos están compuestos principalmente por celulosa, cuyas cadenas son muy largas y tienen unos enlaces químicos muy fuertes. La celulosa también se puede descomponer en monosacáridos para que la levadura se alimente de ella. Sin embargo la ruptura de los enlaces de la celulosa es mucho más compleja y costosa que en el almidón. La descomposición de la celulosa es complicada por la presencia de lignina, que es aún más resistente que la celulosa a la acción de las enzimas y los ácidos. Esta dificultad hace que los rastrojos no sean una buena materia prima para etanol.
Los cultivos para forraje (sorgo forrajero, pasto de sudán) son prometedores para la producción de etanol porque en sus primeras etapas de crecimiento tienen muy poca lignina y la descomposición de la celulosa es más eficiente, y la proporción de glúcidos en forma de celulosa es menor que en la planta madura. Se pueden cosechar hasta cuatro veces en una sola temporada de cultivo porque crecen muy rápido. Además de celulosa estos cultivos pueden proporcionar una gran cantidad de almidón y azúcar. Los resíduos de la fermentación contienen glúcidos no fermentables y proteínas que pueden alimentar al ganado.
Etanol
Se puede estimar la cantidad de etanol que se obtendrá si se conoce antes de la fermentación la cantidad de compuestos fermentables (azúcar, almidón o celulosa) presentes en la materia prima. Si se hace el cálculo basado en porcentajes en el momento de la cosecha, hay que tener en cuenta la pérdida de glúcidos fermentables durante el almacenamiento. Este factor puede ser importante en los cultivos azucareros.
La producción potencial de etanol es aproximadamente de media libra de etanol por cada libra de azúcar. Sin embargo no todos los glúcidos están disponibles para que los fermente la levadura, que tampoco fermetará todos los que tiene disponibles. Para hacer una estimación, la cantidad de etanol es aproximadamente un galón por cada quince libras de azúcar o almidón en la materia prima en el momento de la fermentación. Es difícil calcular la cantidad de etanol a partir de celulosa porque intervienen muchas variables.
Dióxido de carbono
Durante la fermentación también se forma dióxido de carbono. Por cada libra de etanol se generan 0,957 libras de dióxido de carbono. O visto de otra forma, por cada galón de etanol se generan 6,33 libras de dióxido de carbono. Es una proporción fija resultado de la esta reacción química:
Otros subproductos
Durante la elaboración del etanol se forman otros subproductos, que pueden tener valor económico, pero también son excelentes alimentos para los microbios, y pueden convertirse en contaminantes si se vierten al medio ambiente. Es importante darles un tratamiento adecuado.
Los cultivos azucareros, después de la extracción del azúcar, proporcionan celulosa, restos de azúcar y proteínas. Con algunos de estos materiales se puede alimentar al ganado, aunque la cantidad y la calidad dependen mucho del tipo de cultivo. Si el cultivo tiene poco valor nutritivo los residuos pueden servir como combustible para la planta de producción de etanol, que es lo que se suele hacer con la caña de azúcar.
El sorgo dulce puede producir gran cantidad de grano, y los rastrojos pueden ser ensilados, de forma parecida al maiz y el sorgo, excepto porque tiene menor valor nutritivo. La pulpa de la remolacha azucarera (y las coronas), tras la extracción del azúcar, se utiliza para alimentar al ganado. El tupinambo, cultivado a gran escala en la Unión Soviética, se ensila y se utiliza para alimentar ganado, así que en este caso los residuos de la planta serían adecuados para ensilarlos. Todos estos residuos pueden proporcionar muchas proteínas y fibra para los rumiantes.
Los cultivos amiláceos son principalmente los cereales y, en menor medida, tubérculos como la patata. La producción de material no fermentable de los tubérculos es mucho menor que la de los cereales. El aprovechamiento de los residuos es similar.
En el caso de los cereales, es frecuente cocerlos, fermentarlos y destilar la pasta de fermentación conteniendo todo el grano. La parte que no se fermenta se queda en el líquido residual de la destilación (el líquido que sale por el fondo de la columna de destilación después de separar el etanol). Aproximadamente tres cuartas partes del material no fermentable se encuentran en suspensión como partículas sólidas, desde las muy gruesas hasta las muy finas; el resto está disuelto en el agua. El material en suspensión se puede separar del líquido y secar. Las partículas sólidas, en este caso, son grano destilado ligero. La parte soluble se puede concentrar en una melaza con un 25-45% de sólidos, llamados solubles de destilación. Cuando se secan junto con las partículas gruesas el resultado se llama residuos obscuros de destilería. Estos sólidos no fermentables derivados de los cereales son buenos suplementos proteínicos para nos rumiantes. Sin embargo, si se fermenta una gran cantidad de cereales la oferta puede superar a la demanta y abaratar los precios. Afortunadamente la demanda potencial como suplemento proteínico supera a la demanda actual, ya que se ha comprobado que estos subproductos pueden substituir a una cantidad significativa de cereales. Cuando el agua residual de la destilación se da de comer a los animales, tal como sale, o concentrada, es especialmente valiosa, ya que permite la substitución de la paja de una gran proporción del heno con que normalmente se alimenta a los rumiantes.
La parte no fermentable del cereal también puede alimentar a los humanos. En la industria de la molienda en húmedo, normalmente se separan los componentes del grano y se extrae el aceite. El almidón se puede destinar a distintas aplicaciones, como la producción de etanol. El glutén (la principal proteína de los cereales) se puede separar y procesar como, por ejemplo, el glutén del trigo o el del maiz. También se pueden someter estos sólidos a la fermentación y la destilación para convertirlos en grano destilado.
El procesado de cereales tal y como se practica en las grandes instalaciones no es factible para productores pequeños. Sin embargo, sí es factible una manera sencilla de procesarlos para alimentación humana. El trigo se puede procesar separando el almidón del resto: germen, glutén y fibra. Esta materia también se puede incorporar al pan para hacerlo más nutritivo incrementando su contenido de proteínas, fibra y vitaminas.
En la universidad de Wisconsin se ha desarrollado una sencilla máquina que extrae el 60% de las proteínas de los cultivos forrajeros extrayendo el jugo de las hojas. A partir del jugo se pueden obtener proteínas secas que son un alimento muy nutritivo para los humanos. El residuo fibroso queda en buenas condiciones para liberar los glúcidos fermentables de la celulosa. La mayor parte de los glúcidos de la planta quedan en el jugo y, tras la separación de las proteínas, están listos para la fermentación. los cultivos forrajeros tienen el potencial de producir mucho etanol por cada acre a la vez que muchas proteínas aptas para la alimentación humana. El potencial de producción de proteínas es de 1.000 libras por acre, equivalente a 140 busheles por acre de trigo con un 12 % de proteínas.
Una simple comparación de la producción potencial de etanol por acre de varios cultivos no indica el valor económico de dichos cultivos en términos de la producción de etanol. las necesidades de suelo, agua y fertilizantes, y la resitencia a enfermedades y plagas, cambian mucho de un cultivo a otro. Estos factores influyen mucho en la rentabilidad de un cultivo. Afortunadamente los cultivos forrajeros que tienen el potencial de producir una gran cantidad de etanol por acre tienen ventajas agronómicas específicas si se los compara con los principales cereales (como el maiz).
Los cultivos sin fruto, incluidos los cultivos forrajeros, algunas variedades de sorgo dulce y el tupinambo, son menos sensibles a los cambios catastróficos (granizo, heladas, insectos, infecciones), y de hecho es menos probable que sufran pérdidas de producción por circunstancias adversas de cualquier tipo que otros cultivos como los cereales. Es más, los cultivos forrajeros y el tupinambo necesitan menos cuidados que la mayoría de los cereales. El coste de cultivarlos suele ser menor.
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