El bioetanol en Ecuador

En el año 2010, en la provincia de Guayas, se inició el plan piloto Ecopaís con el propósito de probar la mezcla combustible E5, compuesta por un 5 % (v/v) de bioetanol y 95 % de gasolina, que finalizó en el año 2014 (^{Paredes, 2015}). En el año 2016, se planteó extender el uso del E5 a todo el país y, posteriormente, incrementar al 10 y al 15 % el porcentaje de bioetanol en la mezcla, en pos de la sustitución total de la demanda de la gasolina tipo extra para el año 2019, la cual representa el 79 % del consumo de gasolinas y alrededor del 46 % de la demanda de combustibles líquidos del país para el año 2014 (^{Ministerio Coordinador de Sectores Estratégicos, 2015}). Para ello, la producción de bioetanol debería incrementarse en una cifra cercana al 200 % en el lapso 2017-2019 (figura 1), lo cual evidencia la magnitud del reto a superar y al cual este estudio aspira a contribuir proponiendo una ruta alterna de producción de bioetanol a la comúnmente usada, que se basa en el cultivo de la caña de azúcar (^{García et al., 2013}).

Fuente: Elaboración propia a partir de ^{Paredes (2015)}

Figura 1 Producción real y proyectada de bioetanol en Ecuador (Mml) 

Los estudios en el Ecuador sobre la producción de bioetanol han considerado diferentes tipos de biomasa: ^{García et al. (2014)} estiman el potencial de producción de bioetanol de residuos agrícolas de arroz, banano y caña de azúcar, y se apoyan en un modelo predictivo y ubicando las plantas de producción según el potencial energético de la región. Por su parte, ^{Prado y Cervantes (2017)} analizaron las principales variables que afectan al cultivo de caña de azúcar para la producción de bioetanol; concluyeron que el área plantada es la variable con mayor incidencia en la eficiencia del cultivo. ^{Guerrero y Muñoz (2018)} utilizaron el enfoque del ciclo de vida para estimar la sustentabilidad ambiental y demostrar la capacidad de reducir los gases de efectos de invernadero (GEI), con resultados favorables en ambos casos. También se han estudiado especies improductivas, como la paja de páramo, Stipa ichu, como fuente primaria para la producción de bioetanol, con resultados prometedores (^{Albarracín et al., 2015}).

Asimismo, se ha estimado el potencial de un cultivo y provincia específica. En la provincia de Chimborazo, se ha evaluado la producción de bioetanol de la papa y se ha valorado este uso alternativo como respuesta a la sobreproducción de este cultivo, que ocasiona la disminución del 50 % en el precio de comercialización e incluso se considera la utilización de desechos o productos fuera de especificación (^{Pérez et al., 2017}). Finalmente, en la provincia de Imbabura se ha estudiado la producción de bioetanol a partir de deshechos de máiz (^{Hernández-Rueda et al., 2018}).

En cuanto al aprovechamiento de la biomasa residual del cacao con fines energéticos, ^{Kuglarz et al. (2018)} evaluaron el potencial de producción de biogás por digestión anaerobia para el cantón Balao, región con la mayor densidad de producción de biomasa residual del cacao. El biogás se destina a la generación eléctrica que podría satisfacer el 88 % de la demanda energética en este cantón.

De esta revisión documental se aprecia que el estudio del aprovechamiento de los residuos del cacao para la producción de bioetanol ha sido muy poco estudiado en el Ecuador, como la utilización de modelos cinéticos para estimar el potencial de producción de bioetanol de un residuo lignocelulósico específico. En este contexto, el presente trabajo tuvo como principal objetivo estimar el potencial teórico de bioetanol en el Ecuador a partir de los residuos de la cáscara del cacao, mediante un proceso de hidrólisis ácida y fermentación. Para ello, se formuló un modelo matemático de simulación basado en información oficial sobre la producción nacional de cacao y en la aplicación del modelo cinético de Saeman.

El propósito fue contribuir al conocimiento base sobre una vía alterna de producción de bioetanol en el Ecuador, estratégicamente conveniente y que permite además la valorización de un residuo agroindustrial posicionado en el quinto lugar en el país, en volumen generado y en contenido energético (^{Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, 2014}). El principal resultado fue la identificación de las provincias del país con un potencial de producción de bioetanol atractivo para adelantar estudios de factibilidad más detallados que incluyan las dimensiones ambiental y económica. Todo esto constituye el principal aporte del trabajo.

Estimación del potencial de producción de bioetanol

La estimación del bioetanol teóricamente obtenible a partir de la biomasa residual del cacao en el Ecuador se lleva a cabo en tres etapas: (i) conocer la cantidad de residuos de la cáscara de cacao generados anualmente en las provincias del país y determinar la cantidad de celulosa correspondiente con base en el análisis lignocelulósico; (ii) cuantificar la glucosa generada en la hidrólisis de la cáscara de cacao aplicando el modelo cinético de ^{Saeman (1945)}, y (iii) estimar la producción de bioetanol por fermentación de la glucosa generada en las provincias y regiones del Ecuador.

Cantidad del residual de cáscara de cacao en las provincias y regiones del Ecuador

El Atlas bioenergético del Ecuador es la fuente de información primaria de la cantidad de residuos del cultivo del cacao, estimados en 2.015.353 t/año para el año 2014 (^{Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, 2014}). Su distribución geográfica (figura 2) muestra que las provincias de la región Costa son las de mayor aporte, con el 87 % de los residuos totales aproximadamente.

Fuente: ^{Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (2014)}

Figura 2 Distribución geográfica de los residuos de cultivo de cacao en Ecuador 

Los residuos correspondientes a la cáscara del cacao representan el 14,32 % (en peso) de los residuos totales de este cultivo (^{Sánchez, 2013}), equivalentes a 288.580 t/año. En la figura 3 se muestran las regiones y provincias con un aporte significativo para generar energía. Para facilitar su representación y los cálculos posteriores, la región Oriental se ha dividido en dos subregiones: Oriente Norte, compuesta por las provincias de Napo, Orellana y Sucumbíos; y Oriente Centro-Sur, formada por las provincias de Pastaza, Morona y Zamora.

Fuente: Elaboración propia

Figura 3 Residuos de cáscara de cacao (t/año) en las principales provincias y regiones productoras 

La fracción de la celulosa presente en la cáscara de cacao, en peso seco, es la base para el cálculo de la cantidad de celulosa y se toma como el promedio de los valores reportados en varios estudios (tabla 1).

Tabla 1 Porcentaje de celulosa en la cáscara de cacao 

Fuente: Elaboración propia

La cantidad de celulosa hidrolizable, generada en las provincias y regiones de Ecuador, se obtiene de la ecuación 1, y se muestra en la tabla 2.

Ecuación 1

Tabla 2 Celulosa en los residuos del cacao en las provincias y regiones seleccionadas 

Fuente: Elaboración propia

Modelado cinético de la hidrólisis de la celulosa

La reacción de los materiales celulósicos con los ácidos es compleja: por una parte, las diferentes reacciones químicas en serie y paralelo que tienen lugar, y, por la otra, la presencia de dos fases en ellas; por tanto, el mecanismo de la reacción global no ha sido completamente determinado ante las dificultades prácticas de medir la velocidad de reacción de las reacciones individuales (^{Carrasco & Roy, 1992}). En esta situación, una aproximación para entender y predecir el comportamiento de la reacción de hidrólisis ácida en la fracción cristalina de la celulosa es considerarla como una reacción pseudohomogénea de primer orden, con constantes de velocidad aparentes.

El desarrollo pionero de este enfoque lo desarrolla ^{Saeman (1945)}, apoyado en experimentaciones de la degradación de madera a temperaturas moderadas con ácido sulfúrico diluido. Su modelo ha sido utilizado para diversos tipos de biomasa residual y condiciones de operación (^{Carrasco & Roy, 1992}; ^{Thompson & Grethlein, 1979}) y también se ha aplicado a la hidrólisis de la fracción de hemicelulosa (^{Lu et al., 2008}; ^{Téllez et al., 2002}).

Este modelo se utiliza para determinar la cantidad de glucosa obtenida de la celulosa presente en los residuos de la corteza del cacao y tiene en cuenta que la glucosa es el azúcar de mayor interés en los hidrolizados lignocelulósicos y de cuya fermentación se obtiene el bioetanol (^{Paredes, 2015}).

Velocidades de reacción

La representación esquemática simplificada de la hidrólisis de la celulosa es la siguiente:

La solución de este sistema de reacciones, para condiciones iniciales nulas, C_A = C_B = 0, se representa así:

Ecuación 2

Ecuación 3

Ecuación 4

donde k₁ es la constante de velocidad en la producción de glucosa (s^-1); k₂, la constante de velocidad en la descomposición de glucosa (s^-1); C_A, la concentración de celulosa (%); C_B, la concentración de glucosa (%), y C_A0, concentración inicial de celulosa (%).

Manipulando matemáticamente las ecuaciones 2 y 3, se obtienen las expresiones para la máxima concentración de glucosa, C_Bmáx, y el tiempo para la cual sucede, t_máx, útiles para calcular el rendimiento máximo de la conversión de celulosa a glucosa y la cantidad de bioetanol generada por fermentación.

Ecuación 5

Ecuación 6

Para completar el modelo cinético, se deben establecer las expresiones matemáticas de las constantes de las velocidades de reacción y los valores numéricos de los parámetros presentes en ellas. En el primer caso, en varios estudios experimentales se ha corroborado el cumplimento de la ley de Arrhenius; además, atendiendo al modelo de Saeman, en el factor pre exponencial, se incorpora un término que cuantifica el efecto de la concentración del ácido diluido (^{Aguilar & Canizales, 2004}; ^{Suárez et al., 1985}; ^{Thompson & Grethlein, 1979}). Su expresión matemática genérica se muestra a continuación:

Ecuación 7

donde C_s es la concentración del ácido sulfúrico diluido (%).

En el segundo caso, para precisar los valores de los parámetros, k₀, n y E (ecuación 7), asociados con la hidrólisis de los residuos de la cáscara del cacao, se realizó una búsqueda documental sin resultados favorables. No obstante, atendiendo al propósito de este estudio, la cuantificación del bioetanol que teóricamente se obtendría del procesamiento de la cáscara del cacao disponible en el Ecuador, se tomaron los valores de dichos parámetros reportados en ^{Carrasco y Roy (1992)}, para la hidrólisis de la paja de trigo. Esta selección se hace bajo las siguientes consideraciones: (i) la similitud en el contenido de celulosa de ambas especies, 38,7 % y 37,2 % para el cacao y la paja de trigo, respectivamente, y (ii) igualdad en condiciones de operación, como rangos de temperatura y de concentración del ácido sulfúrico diluido. Por tanto, estas son las expresiones para las constantes de velocidad:

Ecuación 8

Ecuación 9

^{Carrasco y Roy (1992)} recomendaron modelos empíricos para simular los mecanismos de hidrólisis de materiales lignocelulósicos. A partir de esto, ^{Aguilar y Canizales (2004)} establecieron los valores de k₁ y k₂ en función de datos experimentales obtenidos de hidrólisis ácida, en donde k₀ y E fueron determinados estadísticamente utilizando regresión por mínimos cuadrados.

Con las ecuaciones anteriores se completa el modelo cinético que servirá de mecanismo para el cálculo de la glucosa producida desde la biomasa residual del cacao y, posteriormente, en el bioetanol obtenido.

Producción de glucosa

El procedimiento para calcular la producción de glucosa se basa en determinar las condiciones operativas que permitan obtener la máxima conversión de la celulosa cristalina a glucosa y su mínima conversión a terceros productos o productos de degradación está conformado de las siguientes etapas:

Estimación del bioetanol

Para calcular el bioetanol resultante de la fermentación de la glucosa se utiliza la ecuación 10, con un rendimiento teórico, R_tp, de 0,49 g etanol/g glucosa, valor promedio manejado en otros estudios (^{Albarracín et al., 2015}; ^{Ballesteros et al., 2004}).

Ecuación 10

donde VE es el volumen de etanol, l/año; 𝜌, densidad del bioetanol, 790g/l; 1E⁶, el factor de conversión de gramos a toneladas, y C_p, celulosa por provincia, t/año.

Se debe mencionar que la estimación de la producción de etanol se realiza para condiciones ideales o rendimientos teóricos para la etapa de fermentación en el proceso global de producción de etanol; por tanto, se espera que sea menor la producción real que se obtendrá, al tomar en cuenta los rendimientos y eficiencias en los procesos de manejo, adecuación y conversión implicados en el proceso global. De la revisión de la literatura no se han obtenido valores sobre la eficiencia del proceso global de obtención de bioetanol para la biomasa residual estudiada; solo se pueden referenciar los valores del rendimiento global de la producción de bioetanol a partir otras biomasas, como la paja de colza, del 12,2 % (^{Kuglarz et al., 2018}) y de los residuos del aceite de oliva del 11,8 % (^{Solarte et al., 2019b}), ambos porcentajes calculados en términos de la relación del peso de bioetanol respecto al peso de la materia prima inicial. En este escenario, se aprecia la necesidad de realizar estudios de corte experimental que permitan disponer de información específica y concluyente sobre esta ruta de producción de bioetanol, que tenga en cuenta los rendimientos y eficiencias del proceso global, desde la adecuación de la materia prima hasta la purificación del bioetanol en grado combustible vehicular.

Modelo cinético

La dinámica del cambio de reactivos y productos para T = 190 °C y C_s = 1 % (figura 4) muestra un comportamiento acorde con lo establecido en la teoría cinética para reacciones irreversibles en serie con k₁ >> k₂, y también con los resultados de varios estudios similares para otros tipos de biomasa residual (^{Suárez et al., 1985}; ^{Thompson & Grethlein, 1979}). También en la figura 4 se puede ubicar el punto de operación máxima (t_máx, C_Bmáx). El crecimiento continuo de los productos de degradación y la existencia de un valor máximo de la concentración de glucosa indican la necesidad de asegurar que el proceso opere alrededor de este punto de operación.

Fuente: Elaboración propia

Figura 4 Dinámica de la reacción de hidrólisis de la celulosa 

En la tabla 3 se presentan los resultados del procedimiento seguido para determinar la máxima conversión a glucosa para las condiciones iniciales especificadas. Se aprecia la alta sensibilidad del valor de punto óptimo (t_máx, C_Bmáx) con la temperatura.

Tabla 3 Resumen de los resultados del modelo cinético para C_s = 1,5 s% 

Fuente: Elaboración propia

Un aspecto para analizar radica en que el punto óptimo de rendimiento de la glucosa se alcanza para las condiciones de operación más rigurosas (o extremas), pero estas también favorecen su descomposición a productos que podrían interferir en la fermentación alcohólica, lo cual significa que existe una relación de compromiso entre efectos contrarios. Otro aspecto para considerar es la disminución en el tiempo de residencia a medida que las condiciones de operación aumentan su valor, hasta llegar a un tiempo muy pequeño de residencia de la mezcla reaccionante, muy difícil de implementar en la práctica para una escala superior a la piloto. También, en términos económicos, se incrementa el costo de la neutralización con el aumento de la concentración del ácido.

El gran incremento en la velocidad de reacción de la glucosa con la concentración de ácido, que alcanzan incrementos superiores al 100 % en C_B, están en correspondencia con los obtenidos en estudios similares. Matemáticamente, estos se explican por la naturaleza fuertemente no lineal de la velocidad de reacción causada por el producto de un término tipo potencia con otro de tipo exponencial.

Producción de glucosa

La producción de glucosa para los rangos de T y de C_s se presenta en la tabla 4. El efecto de ambas variables en C_Bmáx es notorio, debido a la naturaleza no lineal de la relación de cada variable con C_B, de modo que es mayor el efecto de la T, por su variación exponencial, en contraste con la variación tipo potencia de Cs. Claramente, el máximo maximorum corresponde a los valores más altos del rango de T y C_s, esto es: T = 120 °C y C_s = 1,50 %, con lo que se obtiene un C_Bmáx = 11,95 %. También se debe señalar que un indicador más representativo del incremento de la conversión de la variable de interés consiste en medir el grado de conversión respecto a su valor inicial; así, para el valor de C_Bmáx de 11,95 %, el porcentaje de conversión es del 32 %.

Tabla 4 Glucosa máxima para diferentes concentraciones de H₂SO₄ y de temperatura 

Fuente: Elaboración propia

Glucosa por provincia

La glucosa producida anualmente en cada provincia (tabla 5), corresponde al mayor valor de C_Bmáx según la celulosa disponible en cada provincia (tabla 2). Claramente, las provincias de la Región Costa (Guayas, Los Ríos y Manabí) son las de mayor aporte, al representar el 71 % de la producción nacional de glucosa, lo cual va a repetirse en la producción de bioetanol.

Tabla 5 Glucosa generada en cada provincia 

Fuente: Elaboración propia

Producción de bioetanol

Se obtiene de la ecuación 10 y sus cantidades para el país y provincias se presentan en la tabla 6. El primer valor, 8,28 Mml, equivale al 10 % de la producción nacional de bioetanol para el año 2017 (^{Martínez, 2017}). Sin embargo, una comparación más adecuada resulta de cotejar la producción para el mismo año base (2014). En este caso, el bioetanol de la biomasa residual del cacao representa alrededor del 56 % de la producción de bioetanol del procesamiento de la caña de azúcar. No obstante, se debe señalar que la producción de bioetanol ha experimentado un crecimiento promedio interanual del 80 % en el periodo 2014-2017 (^{Martínez, 2017}).

A pesar de que este estudio representa un modelo teórico, la cantidad de bioetanol generado podría variar dependiendo del sustrato lignocelulósico que se utiliza, sabiendo que el rendimiento se ha basado en un proceso de fermentación clásico.

Tabla 6 Cantidad de bioetanol generado de residuos de cacao por provincia 

Fuente: Elaboración propia

Producción de gasolina Ecopaís E5

El volumen de gasolina E5 que se obtendría utilizando el bioetanol es de 166 Mml, mientras que la producción total para el año 2017 fue de alrededor de 1.688 Mml (^{Ministerio Coordinador de Sectores Estratégicos, 2015}), lo cual significa que la gasolina obtenida mezclando el bioetanol aportaría alrededor del 10 % de producción nacional. No obstante, una valoración más pertinente de la contribución de la gasolina E5C, proveniente del bioetanol del cacao, es considerar el año 2014 como base de comparación, teniendo en cuenta que ese es el año de cuantificación de la biomasa residual. En este caso, el aporte de la gasolina E5C corresponde al 56 % de la producida nacional para ese año.

Otra dimensión para valorar la ruta alterna de producción de gasolina E5, propuesta en este estudio es el ámbito provincial. Así, al comparar los valores de la gasolina E5C respecto al consumo de las tres provincias con mayor aporte: Guayas, Los Ríos y Manabí (tabla 7), se aprecia que en estas provincias la sustitución de gasolina súper por la mezcla E5C tiene un impacto significativo, partiendo más de los volúmenes de gasolina sustituidos que su porcentaje correspondiente, 118 Mml, lo cual haría atractivo emprender estudios más detallados que incluyan las dimensiones económica y ambiental.

Tabla 7 Porcentaje de sustitución de gasolina súper por E5C en provincias selectas 

Fuente: Elaboración propia