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Escalan etapa de pretratamiento a nivel piloto para mejorar producción de bioetanol

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Por Felipe Banda, Agencia Informativa Conacyt.

El Centro Mexicano de Innovación en Bioenergía (Cemie-Bio) es una iniciativa conformada por cinco clústeres, cada uno de ellos enfocado en un área energética especializada.

La Secretaría de Energía (Sener) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) desarrollaron este proyecto con el objetivo de fomentar la transición energética en México por medio de la investigación y el aprovechamiento de las energías renovables.

La Universidad Autónoma de Coahuila (Uadec) participa dentro del clúster Bioalcoholes (Biocombustibles lignocelulósicos para el sector autotransporte) que reúne a 17 organizaciones nacionales y extranjeras, lideradas por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), unidad Guadalajara.

En la Etapa 2: Pretratamiento, la institución coahuilense interviene a través del Departamento de Investigación en Alimentos (DIA) de la Facultad de Ciencias Químicas con el proyecto “Producción y purificación de oligómeros, a partir de hemicelulosa (conjunto de biomoléculas): Escalamiento de un reactor hidrotérmico a nivel piloto bajo el concepto de una biorrefinería”.

Esta investigación tiene como finalidad establecer las condiciones de operación escalamiento a nivel piloto y en sistema por lote, para la etapa de pretratamiento, y la producción de moléculas conocidas como oligómeros a partir de residuos de maíz como olote y rastrojo. El proyecto contribuirá a desarrollar conocimiento y tecnología para una mejor producción del combustible bioetanol en México.

Residuos de maíz como materia prima

Con el objetivo de desarrollar tecnología para la producción de bioetanol, el clúster Bioalcoholes (Biocombustibles lignocelulósicos para el sector autotransporte) tiene cuatro materias primas seleccionadas y visualizadas para trabajar: bagazo de agave, bagazo de caña de azúcar, residuos de maíz y paja de trigo.

“Una de las situaciones de este proyecto que impacta son los residuos del maíz como el olote, los tallos y las hojas. La intención de todo esto es primordialmente la producción de una fracción de la hemicelulosa, que es un biopolímero que se encuentra en estos residuos, principalmente 30 por ciento de su composición; de este componente y mediante los procesos hidrotérmicos se pueden producir xilooligosacáridos, que son moléculas que se aplican mucho como prebióticos en la industria alimentaria. Quisimos darle un enfoque de proceso de pretratamiento y es donde surge la necesidad de buscar alternativas energéticas”, puntualizó el doctor Héctor A. Ruiz Leza, profesor investigador del Grupo de Biorrefinería, del Departamento de Alimentos de la Facultad de Ciencias Químicas de la Uadec.

El pretratamiento es una etapa fundamental en el proceso de producción de bioetanol de segunda generación (2G). Esta etapa, en términos generales, tiene como finalidad obtener o romper las fibras de los materiales (residuos agroindustriales) para que estén más susceptibles a una etapa subsecuente, que es la etapa de hidrólisis enzimática dentro de la producción de biocombustible, en este caso bioetanol.

El científico nivel I del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y director del proyecto aclaró que la producción de bioetanol a partir de residuos de maíz tiene relación con mantener la seguridad alimentaria, al no tocar el grano de maíz del que se desarrollan alimentos para la canasta básica de los mexicanos.

“En el clúster se busca una alternativa de producir bioetanol o biocombustibles a partir de residuos y no a partir de alimentos, en México es una gran alternativa utilizarlos. Estamos en la parte del cómo (hacerlo), ya lo hemos hecho, ya lo hemos producido a partir de residuos con muy buenos valores de producción hasta ahora. Todo sin afectar el tema alimentario”, destacó el doctor Ruiz Leza.

Previamente, en el DIA, este proyecto se llevó a cabo con la finalidad de establecer condiciones de pretratamiento a nivel laboratorio como temperatura, presión, tiempo de solubilización de compuestos en los residuos de maíz, etcétera. En esta nueva investigación, se buscó su procesamiento a nivel piloto.

“Ya lo teníamos en condiciones de laboratorio en escala pequeña, 750 mililitros (ml); el giro ahora sería el escalamiento del proceso, llevarlo a condiciones industriales o un paso antes ‘en planta piloto’. Además de esto que fue central, también buscar una alternativa a un proceso de escalamiento tradicional donde implica tiempo, dinero, esfuerzo, recursos y máquinas bastante grandes”, detalló la maestra en ciencias Anely Andrea Lara Flores, colaboradora del proyecto y del clúster.

En este proyecto se evaluó el uso del factor de severidad, una ecuación empírica (modelo matemático) que ayuda a representar el comportamiento de la biomasa en condiciones operativas de tiempo y temperatura de proceso, en diversas configuraciones como en el uso de técnicas como calentamiento con microondas y explosión a vapor. Esto permitiría ahorrar tiempo y recursos para lograr un escalamiento del proceso.

“El factor de severidad es una relación empírica entre el tiempo, la temperatura y el efecto que tiene sobre la biomasa (residuo agroindustrial). Se planteó en el trabajo utilizar este factor o esta relación numérica para el escalamiento del proceso, sin necesidad de hacer una corrida experimental y todo lo que conllevaba, sino irnos directamente por una nueva estrategia”, explicó Lara Flores.

Con esto, se logró un escalamiento desde 100 ml a 750 ml, después siete litros, hasta un reactor de 50 litros. Cabe señalar que el escalamiento del proceso fue con ayuda del doctor Mario Aguedo, de la Universidad de Lieja en Bélgica.

Producción de biocombustibles y otras aplicaciones

El escalamiento de la etapa de pretratamiento a nivel piloto ayuda al proceso en aspectos como obtener mayor volumen de compuestos, mayor volumen de insumos, sin necesidad de una corrida experimental.

“La estrategia que se utilizó para el escalamiento es una forma diferente de realizar un proceso que es extremadamente necesario para poder implementar todo lo que nosotros hacemos en el laboratorio. Poderlo implementar, tenerlo de cierto modo presentable para la industria y decirles aquí está, estas son las condiciones, se puede tomar y aplicar directamente. Se puede ahorrar tiempo, dinero, recursos con este proyecto”, subrayó Lara Flores.

Indicó que durante la parte experimental se obtuvieron compuestos como oligosacáridos, específicamente xilooligosacáridos, que son azúcares que tienen ciertas propiedades, como prebióticos para la salud gastrointestinal, materiales que también se pueden utilizar en tela, papel, plásticos biodegradables, cubiertas, etcétera.

“También se ha reportado en la literatura que pueden ser utilizados para prevenir enfermedades, ya que tienen cierto tipo de propiedades, pueden ser usados como endulzante para personas que padecen diabetes y, además, para la producción de biocombustibles”.

El doctor Ruiz Leza señaló que tienen cuatro años trabajando en el proyecto, inicialmente a escala laboratorio y, recientemente, buscan conocer las condiciones de escalamiento de la etapa de pretratamiento y transmitir estas condiciones óptimas a otras instituciones dentro del clúster.

“Aquí hacemos a escala laboratorio y obtenemos condiciones óptimas para el escalamiento, y se traspasan a la Unidad Guadalajara del Cinvestav con el doctor Arturo Sánchez y ellos, a su vez, producirán material con estas condiciones, para enviarlo al Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (Ipicyt) con el doctor Antonio de León, para la producción de biocombustibles”, añadió.

A su vez, estos xilooligosacáridos o azúcares serán fermentados en el Ipicyt para la producción de biohidrógeno y bioetanol con ciertos microorganismos modificados. Es decir, bioetanol de cuarta generación dentro del clúster.

A futuro, además de la producción de biocombustibles, los especialistas enfatizaron que estos compuestos que surjan del proceso de pretratamiento, también podrán aplicarse en biomateriales, además de estudiar su potencial en elementos como papel, tela y otros materiales, o bien en la industria alimentaria.

“Esto nos dio una visión de proceso y de fundamentos de escalamiento, además de que, con los resultados obtenidos, llegamos a la conclusión de que sí es posible escalar el proceso y pasaremos estos resultados y condiciones al clúster para cerrar esta etapa”, destacó Ruiz Leza.

Respecto al trabajo conjunto entre diferentes instituciones e investigadores, la maestra Lara Flores destacó que están acostumbrados al trabajo en grupos y en equipos, “lo que se está haciendo con este clúster es que cada grupo de investigación tiene objetivos y metas definidas y un área especializada realmente propia. Tomaremos lo mejor de cada uno de ellos”.

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