Investigación

http://ec.europa.eu/energy/renewables/reports/reports_en.htm
http://ec.europa.eu/energy/renewables/reports/doc/com_2011_0031_en.pdf
http://www.thebioenergysite.com/news/8068/ec-calls-for-boost-to-renewable-fuels-cooperation

Comunicación de la UE sobre los avances hacia el objetivo de 2020 en materia de energías renovablesLa Comisión Europea ha publicado recientemente una Comunicación sobre los avances de las energías renovables en la UE. Según este informe, la Directiva de energías renovables de 2009, que estableció objetivos legalmente vinculantes y no sólo indicativos, comienza a dar sus frutos.

«Se está demostrando que un marco legislativo integral y vinculante actúa como catalizador de los avances en el desarrollo de las energías renovables para cumplir los ambiciosos objetivos que se ha marcado la UE. Los elevados índices de crecimiento recientes han llevado a las energías renovables a constituir el 62 % de las inversiones de 2009 en producción de energía». Sin embargo, también se destaca la necesidad de una «mayor cooperación entre los Estados miembros y una mayor integración de las energías renovables en el mercado único europeo».

Se calcula que con estas medidas se ahorran 10.000 millones de euros al año. Se estudian tres mecanismos para favorecer la cooperación entre Estados miembros:

(1) las «transferencias estadísticas», en virtud de las cuales un Estado miembro con un exceso de producción de energía de fuentes renovables puede «venderlo» —en términos estadísticos— a otro Estado miembro cuyas fuentes de energía renovables puedan ser más costosas;

(2) los «proyectos conjuntos», en virtud de los cuales un proyecto nuevo de energía renovable de un Estado miembro puede ser objeto de financiación conjunta por otro Estado miembro, compartiendo la producción —en términos estadísticos— entre ambos; y

(3) los «sistemas de apoyo conjuntos», en virtud de los cuales dos o más Estados miembros acuerdan armonizar una parte o la totalidad de sus sistemas de apoyo. La comunicación completa se puede obtener en la página web de la Comisión Europea.

Procesos y producción

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Un grupo de científicos de la Universidad de Bar-Ilan (Israel), con la colaboración de investigadores del sector industrial, han documentado la producción de biodiésel directamente a partir de un alga marina «cultivada ecológicamente»: la Nanocloropsis.

Este tipo de alga tiene un elevado contenido de aceite (30 % de la biomasa seca), que se puede transformar en biodiésel por «transesterificación» del aceite extraído de las algas mezclado con metanol.

Este proceso productivo tiene dos características interesantes:

(1) las algas se cultivan utilizando dióxido de carbono liberado de las emisiones de «gases de combustión» industriales y

(2) el proceso de conversión directa del aceite de algas en biodiésel en un solo paso.

La recanalización del dióxido de carbono procedente de las emisiones industriales al cultivo de algas es un buen ejemplo de «captura de carbono de efecto invernadero» y reciclado. La conversión directa (en un solo paso) del aceite de algas (frente a los 2 pasos del proceso de extracción y transesterificación del aceite) requiere el calentamiento del cultivo de algas con metanol, aplicando microondas o ultrasonidos.

Extraer el aceite de las algas ya no es necesario, porque se puede aplicar irradiación con microondas o ultrasonidos directamente a los cultivos de algas. Estas dos características pueden reducir el coste de la producción de biodiésel de algas marinas. Los investigadores observaron que la producción de biodiésel con el proceso propuesto ofrecía un mayor rendimiento que el proceso convencional en dos fases.

Además, se podía obtener ese mayor rendimiento de producto con tiempos de reacción mucho menores. Los resultados completos del estudio se han publicado en la revista Bioresource Technology.

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Un artículo publicado por J.E. Andrade del Centro de Investigación en Materiales Avanzados de México analiza el proceso de producción de biodiésel y pasa revista a las últimas tendencias de investigación y desarrollo. El biodiésel es técnicamente una mezcla de metilésteres obtenida por «transesterificación» de los ácidos grasos que se encuentran en los aceites de plantas o algas con metanol.

El glicerol suele ser un subproducto de este proceso. La reacción de transesterificación se puede catalizar con catalizadores homogéneos (ácidos, bases) o heterogéneos (zirconio-aluminio tungstenado, zirconio-aluminio sulfatado u óxido de estaño sulfatado).

Se dice que los catalizadores heterogéneos tienen ventajas porque (1) es fácil separar el producto, (2) se reducen las reacciones secundarias (formación de jabón) y (3) salen rentables porque se reutilizan. También podrían utilizarse enzimas (lipasas) para mediar las reacciones de transesterificación.

La transesterificación enzimática también permite separar el producto fácilmente y reduce la necesidad de depurar aguas residuales. Entre las últimas innovaciones del proceso de producción de biodiésel cabe señalar las siguientes:

(1) transesterificación del alcohol supercrítica y subcrítica,

(2) transesterificación asistida por microondas y

(3) transesterificación asistida por ultrasonidos. Cuando se realiza la transesterificación en condiciones supercríticas o subcríticas (alta temperatura y presión), la fase de aceite y la fase acuosa (que contiene el metanol y el catalizador) se convierten en una sola fase y la reacción se acelera. No obstante, tiene el inconveniente del elevado coste de los equipos y del consumo de energía. La transesterificación asistida por microondas y por ultrasonidos son las tecnologías más modernas que ofrecen rentabilidad y corta duración de la reacción.

El artículo completo se ha publicado en la revista Biomass and Bioenergy.

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Un grupo de científicos del Instituto del Azúcar de Audubon, perteneciente al Centro Agrícola de la Universidad del Estado de Louisiana en Estados Unidos, ha publicado el «primer» estudio sobre la utilización del bagazo de «caña energética» como materia prima para la producción de etanol celulósico.

Se dice que la «caña energética» tiene mayor contenido de fibra que la caña de azúcar «normal». Existen muchos estudios sobre la utilización del bagazo de caña de azúcar «normal» como materia prima para producir bioetanol, pero no hay todavía ningún estudio sobre la utilización del bagazo de «caña energética» con este fin. La tecnología del proceso incluye el pretratamiento del bagazo con amoniaco diluido para eliminar la lignina, seguido de hidrólisis enzimática para transformar las celulosas y hemicelulosas de la planta en sus azúcares componentes que se someten a fermentación para obtener etanol.

Los resultados demuestran que el pretratamiento con hidróxido de amoniaco (utilizando una solución al 28 % v/v, a una temperatura de 160 grados centígrados y una presión de 0,9 a 1,1 Mpa) tiene una eficiencia deslignificadora del 55 %, con una pérdida de celulosa inferior al 10 %, una digestibilidad de la celulosa del 87 % y una producción de unos 37 ± 2,3 g de glucosa por cada 100 g de biomasa seca.

La fermentación de los azúcares liberados por Saccharomyces cerevisiae alcanza el 78 % de la producción teórica de etanol (23 ± 1 de g de etanol por cada 100 g de biomasa seca). Los resultados completos del estudio se han publicado en la revista Bioresource Technology.

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http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/4

En la producción de etanol celulósico, normalmente se utilizan «enzimas degradadoras de la pared celular» (EDPC) para disgregar los carbohidratos de las paredes de las células vegetales. La mayoría de las EDPC suelen ser degradadoras de la celulosa y del xilano y reciben el nombre de celulasas y xilanasas, respectivamente.

El principal objetivo de esta fase enzimática es producir azúcares susceptibles de fermentación para obtener etanol. Durante muchos años, la mayoría de las celulasas se han obtenido de hongos pertenecientes al género Trichoderma. Con el fin de encontrar nuevas EDPC que puedan ser más eficaces para la producción de etanol celulósico, las instituciones de investigación comienzan a realizar actividades de «prospección enzimática».

Científicos de la Universidad de Cornell y del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA-ARS) han descrito el potencial EDPC de ciertos hongos fitopatógenos y no fitopatógenos, y han obtenido muchos resultados interesantes, como por ejemplo:

(1) el análisis genómico ha revelado una «abundancia de EDPC» en varios fitopatógenos en comparación con la especie Trichoderma reesei,

(2) se ha observado que los hongos fitopatógenos presentan una mayor actividad hidrolítica que los no fitopatógenos (en la mayoría de los sustratos de ensayo),

(3) «entre los hongos patógenos, se observa mayor hidrólisis cuando se realiza el ensayo en biomasa y hemicelulosas derivadas de sus plantas huésped (monocotiledóneas commelínidas o dicotiledóneas)», y

(4) los aislados naturales de los hongos de ensayo tenían mayor actividad sobre el xilano que la T. reesei, pero ésta tenía mayor actividad sobre la celulosa. Los resultados demuestran el potencial de los hongos fitopatógenos para producir EDPC «a medida» para la producción de etanol celulósico.

El estudio completo se ha publicado en la revista de acceso libre Biotechnology for Biofuels.

Materias primas

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1757-1707.2010.01077.x/pdf
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1757-1707.2010.01085.x/pdf
http://www.sciencedaily.com/releases/2011/01/110126121102.htm

Uno de los aspectos que menos se tienen en cuenta en la sección de materias primas biocombustibles sostenibles es la cuestión del «consumo de agua» o «huella hídrica». Aunque el rendimiento energético neto sea bueno y la «huella de carbono» (es decir, las emisiones de dióxido de carbono) sea baja, el consumo de agua necesario para producir el cultivo bioenergético puede ser elevado.

Además, puede que algunas materias primas necesiten crecer en zonas donde llueva con gran frecuencia. Recientemente se ha prestado atención a los cultivos bioenergéticos de baja huella hídrica, que puedan cultivarse en zonas semiáridas con escasa pluviosidad. Un artículo publicado por Sara Davis y sus compañeros de la Universidad de Illinois (EE.UU.) describe el potencial como cultivo bioenergético global de una planta perteneciente al género Agave. Según el artículo, las plantas Agave necesitan poca agua porque utilizan lo que se conoce como «metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM)».

Con este tipo de metabolismo, el carbono se asimila por la noche y se reduce así el gradiente difusivo del agua que se pierde por las hojas. Al asimilar el carbono por la noche, se reduce la evapotranspiración potencial del agua y, por tanto, la pérdida de agua por cantidad de CO2 asimilada.

El artículo también dice que «casi una quinta parte de la superficie terrestre es semiárida, lo que indica que puede haber grandes oportunidades para la expansión de los cultivos de Agave como materia prima, pero habría que realizar más ensayos de campo para determinar los límites de tolerancia de diferentes especies de Agave».

El estudio completo se ha publicado en la revista Global Change Biology: Bioenergy.

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http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V22-51N6TCR-2&_user=9570260&_coverDate=03/31/2011&_rdoc=15&_fmt=high&_orig=browse&_origin=browse&_zone=rslt_list_item&_srch=doc-info(%23toc%235690%232011%23999649996%232888749%23FLA%23display%23Volume)&_cdi=5690&_sort=d&_docanchor=&_ct=48&_acct=C000061230&_version=1&_urlVersion=0&_userid=9570260&md5=770fb2646a5d3a0ef7d66b64c808bdf7&searchtype=a

El alpiste rosado (Phalaris arundinacea L) es una especie de gramínea de rizoma perenne natural de Europa, Asia, África y Norteamérica. Tiene usos agrícolas como cultivo forrajero.

Recientemente se ha considerado la posibilidad de utilizar el alpiste rosado como cultivo industrial para producir bioenergía y como fuente de fibra corta para la producción de papel. Un grupo de científicos de la Universidad de Agronomía de Suecia ha analizado las características del «alpiste rosado de cosecha diferida» para evaluar su potencial como materia prima de la producción de etanol.

Según los investigadores, el «sistema de cosecha retardada para la producción no alimentaria» se desarrolló en Suecia en la década de 1980. Consiste en retrasar la cosecha hasta que se pueda recoger la biomasa seca en el campo. Además de reducir las necesidades de fertilización de la tierra (debido a la translocación de nutrientes de las hojas y los tallos al sistema radicular), tiene el efecto beneficioso de potenciar sus características como materia prima para producir bioenergía y fuente de fibra corta para la producción de papel.

Se ha observado que el alpiste rosado de cosecha diferida

(1) tiene menos cloro, azufre y metales alcalinos y

(2) produce más pasta papelera.

Los investigadores descubrieron que «la glucosa, la xilosa y la arabinosa eran los principales carbohidratos componentes del alpiste rosado de cosecha diferida», y el alto rendimiento de los carbohidratos neutros en el cultivo de cosecha diferida es una muestra de su potencial como materia prima para la producción de bioetanol. El estudio completo se ha publicado en la revista Biomass and Bioenergy.

Noticias y tendencias

https://www.crops.org/publications/tpg/articles/3/2/69?highlight=JmFydGljbG
http://www.thebioenergysite.com/news/8058/genetic-road-map-of-biofuels-crop

Un grupo de investigadores de la Universidad del Estado de Dakota del Sur (EE.UU.) y sus colaboradores han realizado los primeros estudios sobre el transcriptoma de la Spartina pectinata Bosc ex Link.

Se considera que este estudio servirá de «base y marco para la expresión y el análisis genómico» en la Spartina pectinata, para su desarrollo como materia prima biocombustible de segunda generación (es decir, lignocelulósica). La Spartina pectinata tiene interés como cultivo bioenergético potencial debido a:

(1) su capacidad para prosperar en tierras marginales inadecuadas para la producción de cultivos convencionales, y

(2) su capacidad para sobrevivir en áridas praderas abiertas.

El análisis del transcriptoma (es decir, la pequeña parte del ADN que se transcribe a las moléculas de ácido ribonucleico o ARN) permitiría a los científicos determinar qué puede hacer una determinada secuencia de ADN.

Los fitomejoradores podrían entonces utilizar la selección asistida por marcadores para incluir de forma deliberada secuencias de genes que confieran determinadas características, como la capacidad de la planta para producir más carbohidratos fermentables para aumentar la producción de etanol o la capacidad de cultivar Spartina pectinata «baja en lignina» para reducir el coste del pretratamiento.

Según los investigadores, «se han identificado varios marcadores moleculares adecuados para elaborar mapas moleculares, identificar genes y realizar estudios de genómica comparativa», y los resultados de su trabajo «se utilizarán conjuntamente con otros estudios realizados para convertir la Spartina pectinata en un cultivo de biomasa celulósica viable». El artículo completo se ha publicado en la revista de acceso libre The Plant Genome.

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http://www.ornl.gov/info/press_releases/get_press_release.cfm?ReleaseNumber=mr20110214-00

Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge han desarrollado un Panicum virgatum transgénico capaz de producir un tercio más de etanol por fermentación que la planta convencional. Esta materia prima vegetal mejorada producirá más biocombustible por hectárea, lo cual no sólo será beneficioso para el sector del transporte, sino también para los agricultores.

Uno de los equipos que trabajaban en el proyecto encabezado por Zeng Yu Wang decidió inhibir un gen que interviene en la producción de lignina. «La presencia de lignina en la pared celular de las plantas interfiere en el proceso de fermentación que produce los biocombustibles», afirmó Wang.

«Las líneas transgénicas requieren menor pretratamiento térmico y sólo una cuarta o tercera parte de las enzimas necesarias para la fermentación del Panicum virgatum no modificado. De este modo, se reduce notablemente el coste de los biocombustibles y de las sustancias bioquímicas que se obtienen de esta planta».

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http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V2W-51H5HJ0-2&_user=9570260&_coverDate=02/28/2011&_rdoc=26&_fmt=high&_orig=browse&_origin=browse&_zone=rslt_list_item&_srch=doc-info(%23toc%235713%232011%23999609997%232820746%23FLA%23display%23Volume)&_cdi=5713&_sort=d&_docanchor=&_ct=58&_acct=C000061230&_version=1&_urlVersion=0&_userid=9570260&md5=7e9208c2285bcaca683e77220d6bdac3&searchtype=a

Los científicos del Centro de Desarrollo Agrícola y Rural de la Universidad del Estado de Iowa (Estados Unidos) y del INRA, UMR Economie Publique INRA-AgroParisTech (Francia), han analizado los factores que podrían determinar «si se podrá obtener la inversión privada necesaria para que surja una industria de los biocombustibles celulósicos».

Sus resultados se han publicado en la revista Energy Policy. Actualmente, los proyectos de investigación del etanol celulósico tratan de encontrar maneras de reducir los costes de producción que animen la inversión del sector privado. Algunos ámbitos de investigación son las tecnologías de conversión, y la logística y agronomía de las materias primas Los autores señalan que los estudios anteriores sobre el futuro de los biocombustibles celulósicos se centran fundamentalmente en el suministro de materias primas y en las emisiones de gases de efecto invernadero.

Explican que su estudio está motivado por el hecho de que «se han pasado por alto las condiciones de mercado necesarias para el advenimiento de los biocombustibles de segunda generación». El estudio analiza las fuerzas del mercado que influyen en la futura demanda de etanol celulósico de EE.UU. y de la UE, y el papel de la competencia con las opciones biocombustibles convencionales y los combustibles derivados del petróleo. Han podido demostrar que las fuerzas del mercado por sí solas no podrían animar la inversión del sector privado en los biocombustibles celulósicos, debido al «alto grado de competencia e incertidumbre que generan las dudas que rodean a estas tecnologías y a los precios de las mercaderías».

También han demostrado que «es improbable que surja una industria del etanol celulósico sin potentes subvenciones gubernamentales, debido en parte a la fuerte competencia del etanol convencional y a las limitaciones de mezcla del etanol».

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http://www.springerlink.com/content/1778925563137661/

Un equipo internacional de científicos ha introducido el concepto de «polidispersidad de la recalcitrancia de la biomasa vegetal» (PPBR) como parámetro de evaluación de la capacidad de procesamiento de los cultivos bioenergéticos lignocelulósicos para obtener azúcares destinados a la producción de etanol biocombustible.

Las principales fracciones de carbohidratos de las materias primas biocombustibles lignocelulósicas (celulosa y hemicelulosa) se suelen disgregar («pretratar» o «sacarificar») en sus azúcares componentes (glucosa y xilosa), que posteriormente se someten a fermentación para obtener etanol.

La determinación de las condiciones óptimas de transformación de la celulosa y hemicelulosa en azúcares suele utilizar el rendimiento de azúcar total (es decir, la suma de la glucosa y la xilosa liberadas) como variable de respuesta. Por tanto, sólo se obtiene una condición óptima para la conversión de la celulosa y de la hemicelulosa. Sin embargo, el equipo internacional de científicos (de la Universidad de Winsconsin, de la Universidad de Florida, del Laboratorio de Productos Forestales del Departamento de Agricultura de Estados Unidos y de la Universidad Tecnológica de China Meridional) cree que la celulosa y las hemicelulosas presentan diferentes respuestas al pretratamiento y deben optimizarse individualmente.

Las condiciones de conversión de las hemicelulosas en azúcares no son tan duras, y se degradan fácilmente en condiciones extremas. En cambio, las celulosas son más difíciles de disgregar y requieren condiciones más exigentes. Esta diferente respuesta de la celulosa y de la hemicelulosa al «pretratamiento» o «sacarificación» puede considerarse una propiedad de la biomasa y los investigadores le han dado el nombre de «polidispersidad de la recalcitrancia de la biomasa vegetal» (o PPBR).

En su estudio, (1) analizan formas de cuantificar la PPBR y (2) evalúan cómo afecta la PPBR a la optimización del pretratamiento. Los investigadores han podido demostrar que la PPBR puede ser útil para predecir la idoneidad de un cultivo energético en cuanto a su conversión bioquímica en azúcares. Los resultados completos del estudio se han publicado en la revista Bioenergy Research.

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http://www.springerlink.com/content/n783w00264390l36/
http://www.ars.usda.gov/research/publications/publications.htm?seq_no_115=251127
http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/docencia/pregrado/estruc_2/curso_07_08/ir_07_08/IRcercano.pdf
http://plantsci.missouri.edu/roberts/NIRmonograph.pdf

El proceso de transformación de la biomasa lignocelulósica en biocombustible suele requerir procedimientos largos, costosos y «destructivos» de análisis de la composición de la biomasa.

Este análisis composicional (que incluye las fracciones de celulosa, hemicelulosa y lignina) suele utilizarse (1) para calcular los rendimientos etanólicos de la biomasa o (2) para evaluar la eficacia de los procesos de conversión de la biomasa.

Los científicos del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA-ARS) consideran que la «espectroscopia de reflectancia en el infrarrojo cercano» (NIRS) es un método de análisis de muestras para la evaluación cuantitativa de los procesos de conversión de biomasa en biocombustible que resulta más económico y menos complejo y extenso.

El proceso NIRS se basa en la «absorbancia y reflectancia diferenciales de la luz a longitudes de onda específicas» cuando se somete la muestra a la luz de infrarrojo cercano. La respuesta (de absorbancia/reflectancia) de la muestra a la luz de infrarrojo cercano puede relacionarse (o «calibrarse») con las propiedades de la biomasa, como el contenido de carbohidratos/lignina o el rendimiento etanólico potencial. En el estudio, los investigadores presentan curvas de calibración del NIRS «para biomasa de Panicum virgatum, que pueden utilizarse para realizar estimaciones de más de 20 componentes, como la pared celular y azúcares solubles, así como de la producción de etanol medida con un procedimiento de conversión y fermentación de laboratorio».

Utilizando datos de biomasa obtenidos por NIRS, han podido demostrar que los cultivares de Panicum virgatum y las cepas experimentales presentan «diferencias significativas» en términos de composición de la biomasa y rendimiento de etanol. Los investigadores también señalan que «el coste de los análisis convencionales necesarios para este estudio hubiera superado los 100.000 dólares, mientras que con la NIRS se ha reducido a unos 3.000 dólares o 10 dólares por muestra». Los resultados del estudio se han publicado en la revista Bioenergy Research.