La yuca (Manihot esculenta Crantz) es un cultivo arbustivo perenne de la familia de las Euphorbiaceas. Dependiendo de la región geográfica tiene varios nombres por ejemplo en Brasil se le conoce como mandioca o manioca, tapioca en India y Malasia y cassada o cassava en África y el Sureste asiático (Sriroth et al, 2012). La yuca se cultiva principalmente en las regiones tropicales de África, América Latina y Asia, localizados en el cinturón ecuatorial, entre 30° norte y 30° sur. El cultivo produce raíces ricas en almidón comestible las cuales han sido ampliamente empleadas como alimento básico para millones de personas así como alimento animal. Debido a su facilidad de cultivo y bajos requerimientos de insumos, la yuca es mayoritariamente cultivada en tierras marginales por agricultores pobres.
Desde 2004 la producción mundial de raíces de yuca ha sido superior a los 200 millones de toneladas y alcanzó los 240 millones en 2009 (FAO, 2011). Los mayores productores de yuca están localizados en tres continentes (África, América y Asia) siendo Nigeria, Brasil y Tailandia responsables por aproximadamente 20, 11 y 12% del total de la producción mundial, respectivamente (Sriroth et al., 2012). En las últimas dos décadas la producción de yuca ha aumentado continuamente, impulsada por la demanda del mercado, especialmente por la expansión del mercado global de almidón. La tasa de crecimiento de la producción de raíces en la última década (2000 - 2009) es aún mayor que la anterior (1990-1999) debido al notable aumento de la demanda de yuca para la producción de bioetanol en el continente asiático, especialmente en China y Tailandia (Sriroth et al., 2012)
El proceso de producción de etanol a partir de la yuca ha sido descrito por varios autores (Sriroth et al, 2012, Castaño y Mejía, 2008, Castaño et al, 2011) empleando tanto el método tradicional como el método SSF. El proceso de
producción de etanol a partir de la yuca empleado actualmente consta de cinco etapas principales las cuales son (Sriroth et al, 2012).
- Preparación de la materia prima: el principal propósito de esta etapa es hacer que la materia prima sea físicamente apta para su procesamiento posterior p.e cocción, hidrólisis del almidón, fermentación y destilación y deshidratación. En general la preparación incluye la remoción de las impurezas (lavado y remoción de la cáscara de las raíces frescas, paso por detector de metales, remoción de arena y tierra de la pasta por hidrociclón), reducción de tamaño de partícula por molido o raspado y separación de la fibra.
- Cocción: el almidón se cocina para romper la estructura granular y mejorar su susceptibilidad a hidrólisis enzimática. La cocción se logra a una temperatura mayor que la temperatura de gelatinización. Durante la cocción la alta viscosidad de la pasta se desarrolla como consecuencia de la gelatinización del almidón y el hinchado de algunas partículas. La cocción es por lo tanto comúnmente realizada en la presencia de enzimas de licuefacción, p.e α-amilasas para licuar la pasta cocinada.
- Hidrolisis del almidón: el almidón es enzimáticamente hidrolizado a glucosa por la acción de una α-amilasa y subsecuentemente por glucoamilasa. La licuefacción por α-amilasa es usualmente conducida a altas temperaturas a las cuales el almidón se ha gelatinizado. Después de la licuefacción la pasta licuada es enfriada a una temperatura óptima para la hidrolisis por glucoamilasa la cual ocurre cerca de 50-55°C, dependiendo del tipo de enzimas.
- Fermentación por levaduras: la glucosa es luego fermentada por la acción de levaduras. Al final de la fermentación, la “cerveza” obtenida contiene aproximadamente 10% v/v de etanol, dependiendo de la carga de solidos durante la fermentación.
- Destilación y deshidratación: la “cerveza” es sometida a destilación para concentrar el etanol a 95% y luego deshidratación para remover el agua, produciendo etanol anhidro (99.5%).
Actualmente, el proceso de producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en almidón está diseñado para reducir significativamente los tiempos de proceso y el consumo de energía llevando a cabo la sacarificación y fermentación en un mismo paso. Este proceso es llamado “Sacarificación y Fermentación Simultáneas” o SSF (Figura 1-4 b y 1-5 b). En este proceso la pasta licuada es enfriada a 32°C, después la glucoamilasa y la levadura se agregan juntas.
Mientras la glucoamilasa produce glucosa, la levadura puede usar la glucosa para producir etanol inmediatamente (Sriroth et al., 2012).
Figura 1-4. Representación esquemática del proceso de elaboración de bioetanol
a partir de la yuca. En la parte superior: Proceso tradicional. En la parte inferior: Sacarificación y Fermentación Simultáneas (SSF). A partir del efluente obtenido en la destilación se obtiene el “destilado de yuca”. Tomado de Ospina et al (2012).
Figura 1-5. Representación del proceso de producción de etanol a partir de la
yuca (a) proceso tradicional, (b) SSF, Sacarificación y Fermentación Simultáneas y (c) SLSF, Licuefacción, Sacarificación y Fermentación simultáneas. Tomado de Sriroth et al. (2012).
En el proceso SSF, el almidón de la yuca debe ser inicialmente cocinado y licuado antes del proceso SSF. Recientemente, se ha desarrollado una enzima que hidroliza los gránulos de almidón para producir azucares fermentables del almidón de maíz crudo o sin cocción y se puede aplicar también a los chips de yuca (Sriroth et al., 2012). Esta enzima puede atacar directamente los gránulos de almidón sin cocción, permitiendo que la licuefacción, sacarificación y en presencia de levadura la fermentación ocurran de manera simultánea en un solo paso a temperatura ambiente sin cocción, este proceso es llamado Licuefacción, Sacarificación y Fermentación Simultáneas o SLSF Figura 1-5 (c).
El balance de materiales del proceso de producción de etanol con una capacidad de 150.000 litros/día, un tamaño recomendado para las plantas de etanol para optimizar costos, manejo factible de la materia prima y un tratamiento efectivo del
agua de desecho, a partir de chips de yuca seca por el proceso de Sacarificación y Fermentación Simultáneas (SSF) se ha estimado a partir de datos colectados durante pruebas piloto (trabajando a 2500 litros volumen) y encuestas a fábricas (Sriroth et al., 2012) (Figura 1-6). La relación de conversión de materia prima (kg) a etanol (L) es aproximadamente 2.5:1 para chips de yuca secos o 6:1 para raíces frescas, estos factores de conversión dependen de la cantidad de almidón presente en la materia prima (Sriroth et al., 2012).
Figura 1-6. Balance de masa para la producción de etanol a partir de yuca chips
por el proceso SSF (Sacarificación y Fermentación Simultáneas). T/D: Toneladas/día, T/S: Solidos totales, L/D: Litros/día (Eficiencia de fermentación 90%, eficiencia de la destilación 98.5%. Fuente: Sriroth et al., 2012.