Reducción del consumo de combustibles fósiles mediante el uso de biodiesel – Una revisión

Ana Palacios

Ana Palacios

Joycy Vilcanqui

Alexandra Medrano

Alexandra Medrano

Victor Cornejo

Victor Cornejo

Revista Científica SCIENTIA, Vol 1. Diciembre 2021

scientiaunalm@gmail.com

Lima, Perú

Disponible Online en www.journalscientia.com/larevista

Artículo de revisión

Reducción del consumo de combustibles fósiles mediante el uso de biodiesel – Una revisión

Ana Palacios1, Joycy Vilcanqui2, Alexandra Medrano2 , Victor Cornejo1

1: Universidad Nacional  Mayor de San Marcos

2: Universidad Nacional Agraria La Molina

 

Resumen:

A lo largo de los años, los combustibles fósiles han sido considerados como la principal solución a la crisis energética comercial. Sin embargo, el panorama actual nos presenta una baja disponibilidad de los mismos y una creciente conciencia respecto a los impactos negativos que el uso de estos puede causar al ambiente. Por tal razón, se está buscando la implementación de fuentes energéticas alternativas como es el biodiesel. El biodiesel es un biocombustible producido a partir de biomasa que tiene como ventajas su baja toxicidad y alta biodegradabilidad. El biodiesel se clasifica según la materia prima y la tecnología que se emplea durante el proceso productivo, a lo que se denomina como generación, por lo que existe biodiesel de primera, segunda y tercera generación. Además, para obtener una producción de biodiesel más eficiente, menos costosa y sostenible es que se ha requerido de la utilización de, por ejemplo, la ingeniería genética, a través de varias compañías biotecnológicas y centros de investigación.

Palabras Clave: Ácidos grasos, biocombustible, biodiesel, biomasa, energía renovable

Introducción

El acelerado crecimiento demográfico ha significado un aumento sobre el uso de diversos recursos, lo cual ha conducido a un aumento significativo en el consumo de energía en todo el mundo [1]. El consumo mundial de energía aumentó 17 veces en el siglo pasado, y las emisiones de gases de efectos invernadero; tales como dióxido de carbono, dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno procedentes de la combustión de energía fósil; son las principales causas de la contaminación atmosférica, lo que contribuye al calentamiento global [2].

A pesar de los impactos negativos que producen los combustibles fósiles, el petróleo sigue siendo la principal fuente de combustible del mundo, representando el 32,9% del consumo mundial de energía [3,4]; sin embargo, debido a su excesivo uso, este se está agotando, por lo que se necesitan de nuevas alternativas energéticas para nuestra sociedad.

En algunos países, se está realizando el empleo de tecnologías modernas y la conversión eficiente de bioenergía utilizando una variedad de biocombustibles (sustitutos naturales y renovables). Estos se están volviendo competitivos en términos de costos frente a los combustibles fósiles y, en un futuro cercano, se espera que empiecen a entrar al mercado energético de manera intensiva [5–7]. Si los combustibles fósiles fueran reemplazados por biocombustibles, las emisiones de estos gases podrían ser reducidas hasta en un 90% [1]. 

Las fuentes de energía renovable han resaltado en los últimos diez años debido a su gran potencial para sostener la civilización y sus necesidades energéticas, especialmente en el sector transporte. Entre estas fuentes alternativas se encuentra la energía solar, energía eólica, energía a partir de fuentes de agua y la energía proveniente de la biomasa [7].

El biodiesel es un combustible líquido, producido a partir de biomasa, la cual deriva de aceites vegetales y grasas animales [8]. Actualmente es utilizado en el sector transporte como una alternativa viable para sustituir al diesel derivado del petróleo [9], debido a su biodegradabilidad y mínima toxicidad. 

Sin embargo, en la actualidad, se ha venido implementado el uso de microorganismos oleaginosos, como bacterias, hongos y microalgas, los cuales poseen una diversidad de rutas metabólicas y la posibilidad de utilizar diferentes fuentes de carbono como sustrato. De esta manera, los microorganismos son capaces de producir aceites que pueden ser utilizados como materia prima para el biodiesel [10].

Esta revisión describe el uso del biodiesel como fuente energética, su evolución a lo largo del tiempo, sus ventajas frente a los combustibles fósiles, su clasificación en función al sustrato y las perspectivas futuras sobre su empleo como fuente de energía alternativa para una sociedad más sostenible.

Importancia y ventajas del biodiesel

En la actualidad, la creciente conciencia ambiental y el preocupante agotamiento de la materia prima no renovable ha impactado favorablemente en la valorización de la biomasa como fuente de producción de energía. Se considera que la producción de energía a partir de materia prima renovable es el punto clave para contrarrestar el cambio climático, implementar mejoras en la seguridad energética y promover el desarrollo agrícola y rural a través de los mismos [11].

Situación del biodiesel

Situación en el mundo

A partir del año 1991, la producción mundial de biodiesel creció de manera muy significativa debido a la puesta en práctica de numerosos proyectos [12]. De 

esta manera, el biodiesel fue ganando aceptación, principalmente, en EE.UU., Argentina, Brasil, UE, Indonesia y Malasia. Y, en la actualidad se producen un aproximado de 35 a 45 millones de toneladas de diesel a nivel mundial, con el número absoluto que varía acorde a la fuente [13].

Situación actual en el Perú

En el Perú, los primeros pasos para el uso de los biocombustibles han sido dados por el Estado peruano. 

A partir de la dación del Reglamento de Ley de Promoción del Mercado de los Biocombustibles (Decreto Supremo 013-2005-EM) se ha establecido en su artículo 8 el contenido de 5% para el Biodiesel Ecológico 1E y 2E [14]. 

Desarrollo y clasificación del biodiesel

El biodiesel se clasifica según la materia prima y la tecnología que se emplea para producirlos. Debido a su progreso con el pasar del tiempo, a dicha clasificación se le denomina generación, por lo que existe biodiesel de primera, segunda y tercera generación [15].

En el caso de la primera generación, la materia prima utilizada está conformada por plantas oleaginosas con alto contenido de aceites y grasas animales, sin embargo, debido a su competencia con la alimentación, se optó por buscar otras fuentes de insumos [15,16]. Con respecto a la segunda generación, la materia prima empleada son residuos agrícolas y forestales que son una fuente económica de insumo, pero el único problema con respecto a dichos residuos es el alto costo del preprocesamiento. Finalmente, la tercera generación está conformada por los microorganismos oleaginosos que producen ácidos grasos, los cuales son utilizados como materia prima para la producción de biodiesel [16]. 

Primera generación

Dentro del amplio rango de materia prima

que se puede utilizar para la producción del biodiésel, se destaca la utilización de grasa animal proveniente de los subproductos de la producción animal y de los desechos alimentarios [17].

La producción de animales representa una industria gigante. Un claro ejemplo es la Unión Europea, que sacrifica alrededor de 328 millones de vacunos, porcinos, ovinos y caprinos; y 6 mil millones de aves (pollos, pavos y otras) al año, generando un residuo de 17 millones de toneladas [17]. Los residuos que son considerados no comestibles se derivan a la producción de biocombustibles y biodiesel para su eliminación, debido al bajo precio de su producción con grasa animal a comparación de ser producido con aceite vegetal [18].

La utilización de grasa se da al querer darle un valor agregado a los subproductos de la producción animal. La grasa en la res se obtiene del sebo, en las ovejas del sebo de cordero, en los cerdos a través de la manteca y de los pollos se obtiene de las plumas, sangre, piel y despojos [19].

Las grasas también se obtienen del reciclaje de la industria de la cocina, las cuales se clasifican, en base a los ácidos grasos libres (FFA) presentes, en grasa amarilla (FFA <15% en peso) y grasa marrón (FFA> 15% [20].

La mayoría de las especies contienen ácidos grasos comunes, que presentan entre 16 a 18 carbonos, los cuales se pueden observar en la Tabla 1. En los rumiantes y porcinos, los niveles de ácidos grasos saturados son altos y su grasa se encuentra en estado sólido, a comparación de las aves, cuyos niveles de ácidos grasos son de 30-33% y se encuentran en estado líquido o semilíquido [20]. Debido al estado sólido de la mayoría de las grasas, estas deben pasar por un precalentamiento a 45 °C para su uso como biocombustible; asimismo, la presencia de un alto contenido de ácidos grasos nos da un

biodiésel con altos índices de cetano, lo que resulta en un biodiésel más estable [21].

Para la producción de biodiésel de grasa animal es necesario un pretratamiento, el cual tiene como objetivo reducir la cantidad de FFA y agua, los cuales afectan el rendimiento del biodiésel, y ocasionan que los costos de producción se eleven por la dificultad del proceso de separación y purificación. El biodiésel se produce por transesterificación de una grasa más un alcohol de cadena corta, añadiendo la presencia de un catalizador. 

Los catalizadores pueden ser de distintos orígenes y los más comunes son alcalinos como hidróxido de sodio, metóxido de sodio o hidróxido de potasio;  ácidos,

como ácido sulfúrico o  ácido fosfórico; catalizadores heterogéneos, como enzimas (lipasas) y catalizadores complejos, como silicatos, zirconias o nanocatalizadores [23].

La transesterificación de las grasas es una reacción de mayor rapidez a comparación de los aceites vegetales. También es beneficioso el uso de catalizadores alcalinos, al ser menos costosos, de mayor rapidez de acción y de fácil disponibilidad. Los catalizadores ácidos son empleados para la disminución de ácidos grasos libres antes de la transesterificación con un catalizador alcalino; y su uso en la reacción de transesterificación es de velocidad lenta y con requerimientos mayores de

Tabla 1.  Composición típica de los principales ácidos grasos (como% de ácidos grasos totales) de grasas de cerdo, ternera, cordero y pollo  [20]. 

Ácidos grasos

 

Manteca de cerdo

Sebo de vaca

Sebo de cordero

Grasa de ave

Mirístico

C14:0

1.6

1.6

2.2

0.4

Palmítico

C16:0

25.1

21.6

21.1

21.6

Esteárico

C18:0

12.6

17.7

11.6

6.3

Palmitoleico

C18:1

2.8

2.5

2.1

3.2

Oleico

C18:1

36.5

31.5

38.7

30.0

Linoleico

C18:2

16.5

3.3

10.2

28.4

Linolénico

C18:3

1.1

1.3

0.6

2.4

Araquidónico

C20:4

0.3

3.4

Docosapentaenoico

C22:5

0.2

0.3

Docosahexaenoico

C22:6

0.8

Total saturado

SFA

39.4

49.1

40.4

29.1

Total monoinsaturado

MUFA

39.7

41.0

47.1

33.2

Total poliinsaturado

PUFA

20.9

10.0

12.5

37.6

alcoholes, lo cual puede llegar a una corrosión. En los alcoholes, el de mayor uso para la reacción de transesterificación es el metanol, dado que su valor económico es bajo, pero no es el único alcohol que se puede utilizar, otros alcoholes que funcionan de manera

 adecuada son el etanol, el propanol y el butanol [20].

La transesterificación es viable por su bajo costo y su buena eficiencia, pero este no solo depende de los catalizadores y los alcoholes, también se ve afectado por las

variables del tiempo, temperatura de la reacción, tipo y relación molar de alcohol, tipo y cantidad del catalizador usado, etc. [24].

Para la producción de biodiésel se necesitan 100 kg de grasa, los cuales reaccionan con 10 kg de un alcohol de cadena corta, utilizando un catalizador alcalino. De esta manera se generan 100 kg de biodiesel y 10 kg de glicerina [24].

La utilización de biodiésel reduce la emisión de gases y sustancias tóxicas que se producen por la combustión. El biodiesel de grasa animal ha logrado una reducción significativa de CO2 a un 20% de emisión, en comparación del 70% de emisión del biodiésel de aceite de soja [25].También se observó la reducción en la emisión de otras sustancias, como los hidrocarburos policíclicos, cuya emisión disminuyó en un 15% – 20%, los hidrocarburos no quemados, cuyas emisiones se redujeron en un 10%; y por último, una disminución en la emisión de azufre y CO [26].

Es importante recalcar el uso de grasas y aceites como materia prima, en vista que representan entre un 60% a 80% del costo en la producción de biodiésel [20].

Segunda generación

La producción de biocombustibles de segunda generación se caracteriza por incorporar como materia prima componentes lignocelulósicos no comestibles. Estos combustibles pueden ser elaborados a partir de diferentes estados base, lo cual implica la posible incorporación de procesos térmicos, químicos o biológicos, dependiendo de las características fisicoquímicas de la materia prima y el estado del producto final [11].

El biocombustible de segunda generación es considerado como una alternativa prometedora, debido a que los costos de materia prima son bajos, en comparación a los utilizados en el proceso de primera generación [27].  Asimismo, se considera

una amplia variedad de elementos (residuos forestales y agrícolas, desechos orgánicos, etc.) que permiten realizar un proceso productivo sustentable; ya que esto no implicaría una amenaza a la seguridad alimentaria.

A lo largo de los años se han realizado diversos estudios, los cuales resaltan como ventaja que dicho proceso representa una huella de CO2 no significativa o incluso negativa, debido a que como materia prima se utilizará residuos provenientes de la industria maderera y de agricultura mayormente. Se establece que el 75% de la biomasa vegetal está compuesto por polisacáridos; sin embargo, en la parte no comestible de los residuos agrícolas se encuentra la mayor proporción de los mismos, a diferencia del fruto. En cuanto a las metodologías utilizadas para elaborar los biocombustibles, se establece que la incorporación de procesos termoquímicos cuenta con una alta eficiencia, ya que permiten una conversión total a bioetanol [28].

Por otro lado, debido al valor industrial que presenta la hemicelulosa frente a la celulosa, siendo esta última la más utilizada para la fabricación de papel, se plantea un esquema de proceso productivo que destaca como concepto la valoración de la hemicelulosa [29]. El proceso de conversión inicia con el pretratamiento e hidrólisis de la biomasa, posteriormente la deshidratación de los azúcares, la condensación de los aldehídos obtenidos y, finalmente, la hidrogenación/deshidratación completa para concluir con la formación de alcanos lineales [30].

Por lo tanto, la incorporación de nuevas tecnologías e investigaciones respecto a la incorporación de residuos como materia prima para la fabricación de biocombustibles de segunda generación permitirá tener un claro enfoque de eficiencia y costos que nos ayudará a tener una idea más clara del potencial cambio en

la matriz energética e implementar el concepto de economía circular.

Tercera generación 

La producción de biodiesel usando microorganismos es una alternativa prometedora, esto se debe a las diversas propiedades que estos poseen [31]. A estos microorganismos se les denomina oleaginosos, debido a que pueden acumular un alto contenido de lípidos (mayor a 20% p/p en base al peso seco de la célula) en sus compartimentos celulares. Estos lípidos se utilizarán como materia prima oleaginosa para la producción de biodiesel [32]. Este tipo de microorganismos está conformado por las bacterias, hongos, levaduras y microalgas [31], de los cuales las bacterias son las menos utilizadas por su baja capacidad de producción de lípidos, mientras que las microalgas, levaduras y hongos son considerados como los productores claves [33].

La acumulación de lípidos ocurre cuando el microorganismo se encuentra en condiciones limitantes de nitrógeno, fosfato inorgánico, sulfato y hierro, pero con grandes cantidades de carbono en el medio, lo cual provoca que el carbono se acumule en forma de lípidos y se almacene como reserva energética [6]. 

La ruta bioquímica que utilizan estos microorganismos es la ruta de la biosíntesis de lípidos. En cada uno de los mencionados, la ruta presenta algunas variaciones, pero el mecanismo central se mantiene.

La biosíntesis en los microorganismos heterotróficos (levaduras, hongos y bacterias) se realiza a través de la esterificación de los Ésteres Metílicos de Ácidos Grasos (FAME), con la diferenciación de que en levaduras se destaca principalmente la enzima ácido graso sintasa I (FAS I) [34] mientras que en bacterias se hace uso de la FAS II. 

Con respecto a los microorganismos autótrofos (microalgas), los lípidos se sintetizan de modo similar al de las plantas, es decir, sigue el proceso de fijación de fuente inorgánica de carbono (CO2), seguida de una transformación en lípidos a través de reacciones en series [35].

Los lípidos, luego de ser sintetizados, se almacenan en grandes cantidades como triacilgliceroles (TAG) bajo forma de cuerpos lipídicos en las células. Los TAG están compuestos por ácidos grasos poliinsaturados (PUFA), los cuales se reconocen como los componentes principales del aceite microbiano; mientras que los ácidos grasos de cadena simple, como los de 16 y 18 carbonos, son químicamente similares a los aceites vegetales y son empleados como materia prima para la producción de biodiesel [2].

Las bacterias suelen producir lípidos muy complejos, difíciles de utilizar como insumo en la industria del biodiesel. Los géneros de bacterias más representativos son Streptococcus, Enterobacter, Bacillus, Mycobacterium y Pseudomonas [2].

Por otro lado, las levaduras son microorganismos eucariotas unicelulares que poseen como ventaja sus altos contenidos de lípidos, escalabilidad a nivel industrial y su facilidad de utilizar fuentes de carbonos menos costosas [2,36]. Entre las cepas de levaduras más estudiadas se encuentran Yarrowia lipolytica, Rhodotorula glutinis, Rhodosporidium toruloides, Cryptococcus curvatus, Trichosporon pullulan y Lipomyces lipofer [37]. 

Por último, la producción de materia prima para biodiesel utilizando microalgas es una alternativa viable, debido a su gran acumulación de lípidos, elevada eficiencia fotosintética, su alta velocidad de crecimiento y su capacidad de crecer en aguas marinas, dulces y residuales [38].

El contenido de aceites en las microalgas usualmente se ha mantenido entre 20 a 60% del peso seco de la biomasa [31]. Los ácidos grasos suelen ser insaturados como el ácido palmitoleico (16:1), oleico (18:1), linoleico (18:2) y linolénico (18:3), útiles y necesarios para la producción de biodiesel.

Algunas investigaciones han demostrado la productividad de distintas especies de microalgas para producir biodiesel, entre ellas tenemos a Chlorella sp. la cual produce 179 mg/L/d mediante la cultivación fototrófica, es decir, usando luz y fuente inorgánica de carbono [39]. Por otro lado, se encuentra Chlorella protothecoides, que tiene los valores más altos en cuanto a la producción de biomasa y lípidos utilizando cultivo heterotrófico, es decir, uso de fuente orgánica y sin necesidad de luz. También son de especial interés Dunaliella tertiolecta, Chaetoceros muelleri y Chlorella vulgaris mixotrófica, que tiene una productividad de lípidos de 22 –54 mg/L/d cuando se cultiva bajo la luz solar con mezclas de glucosa y glicerol como fuentes de carbono [40].

La única desventaja que presentan es que necesitan grandes áreas de tierra debido a su actividad fotosintética, además tienen un requerimiento estricto de luz solar y su crecimiento se ve afectado por variaciones medioambientales [31].

En todos los casos, se están realizando estudios para potenciar su uso, ya sea mediante el empleo de herramientas genéticas o mejorar las técnicas de escalamiento para su producción en masa.

Perspectivas

En la actualidad, la producción de biodiesel enfrenta varios problemas: deficiencia de un sistema de suministro de materia prima estable y suficiente, desempeño inconsistente y una economía desafiante [41]. Frente a esto, la producción microbiana tiene el potencial de superar

estos desafíos debido a algunas ventajas, como un período de producción corto, poca mano de obra requerida, fácil de ampliar e independientemente del lugar, la temporada, el cambio climático y otros factores [42]. Por ello, aprovechar al máximo los microorganismos para la producción de biodiesel tiene un potencial muy grande.

Los microorganismos no solo podrían proporcionar la síntesis de biodiesel con los sustratos como fuentes de ácidos grasos y alcoholes, sino que también podrían usarse como catalizador en este proceso. Tanto la cantidad como la calidad de los precursores de biodiesel de una cepa específica están estrechamente vinculadas a cómo se controla el metabolismo de los ácidos grasos.

Es por ello que, el uso de la ingeniería genética en factores de transcripción relacionados con los genes responsables de las vías globales de los ácidos grasos, sería una estrategia potencialmente prometedora entre varias modificaciones integrales [35]. A nivel aplicativo se puede, por ejemplo, sobreexpresar los factores de transcripción de una proteína con dedos de zinc que se unen a una secuencia de ADN dentro del promotor en microalgas y ello conducir a una síntesis de lípidos mejorada [43].

Conclusión

La producción de biodiesel involucra el uso de microorganismos, microalgas, bacterias, hongos, levaduras, residuos de la industria agrícola hasta el uso de los componentes lignocelulósicos no comestibles y los subproductos de la producción animal para ser usados como materia, y obtener así el sustrato principal que son las grasas o aceites.

Cada una de estas materias primas tiene sus ventajas respecto a otras y sus dificultades en base al proceso, tiempo, disponibilidad y costo en el mercado. Los cuales se vieron reflejadas al clasificar las materias primas en generaciones y el paso de una generación a otra.

La formación de estas generaciones no implica su desuso en la industria; por el contrario, reflejan el cambio eminente hacia la búsqueda de nuevas tecnologías alternativas sustentables y amigables con el medio ambiente, tomando en cuenta el impacto que tienen en la contaminación ambiental y el cambio climático.

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