Durante el diseño de procesos, la evaluación de las configuraciones alternativas no debe estar orientada solamente a alcanzar las productividades y conversiones más altas de las materias primas, sino también a aprovechar los subproductos generados durante el proceso convirtiéndolos en co-productos de valor agregado. De esta manera, las exigencias económicas y aún las ambientales pueden cumplirse más fácilmente. Varias corrientes, generalmente de naturaleza orgánica, se obtienen durante el procesamiento de materiales como la caña de azúcar, el maíz o la biomasa lignocelulósica. Estos materiales orgánicos tienen valor ya sea como combustible o como fuente de otros productos de valor agregado.
3.4.1. Conversión térmica de la biomasa
En el caso específico de la biomasa lignocelulósica, la conversión térmica de la lignina, la cual no se puede convertir en azúcares fermentables, puede asegurar el suministro de la energía requerida por el proceso global de conversión a etanol quedando inclusive un excedente que puede ser comercializado en forma de electricidad. Lo anterior es posible debido al alto valor energético de la lignina (29,54 MJ/kg) que es liberado durante su combustión. Reith et al. [20, 46] señalan que el empleo de la tecnología de BIG/CC para la conversión térmica de los residuos no fermentables puede suministrar todo el vapor y la electricidad requerida por el proceso de obtención de etanol a partir de biomasa. La electricidad excedente se puede vender a la red eléctrica lográndose una eficiencia energética total de 56-68%. Si además el proceso global se integra energéticamente, la cantidad de electricidad generada puede ser más grande [47]. Inclusive los residuos sólidos obtenidos del reactor de pretratamiento se pueden emplear para la generación de energía eléctrica [48] empleando una turbina de gas.
Carrocci y James [49] propusieron y analizaron dos sistemas de cogeneración para mejorar le eficiencia global de las destilerías en Brasil. El primer sistema contempló la utilización de las vinazas para la generación de biogás, el cual se puede convertir en electricidad mediante un ciclo termodinámico convencional. Parte de los residuos fibrosos, principalmente bagazo de caña, se usa para la producción del vapor y electricidad requeridos por la destilería mientras la otra parte se convierte en electricidad para las zonas aledañas. En el segundo sistema, el biogás se emplea como combustible para vehículos de carga, incluyendo los camiones que transportan la caña a la destilería. El análisis energético demostró que la primera opción es ligeramente más eficiente. Según los datos de Moreira [50], a partir de una tonelada de caña se pueden obtener 80 litros de etanol y 280 kg de bagazo con una humedad del 50%. De otro lado, para la generación de 1 kW-h de energía eléctrica (asumiendo un 20% de eficiencia en la conversión de vapor a electricidad) se requieren 6,7 kg de vapor. Si se considera que un kilogramo de vapor necesita de la combustión de
0,45 kg de bagazo [51], la cantidad de electricidad que se puede generar a partir de un kilogramo de bagazo es de 0,33 kW-h. Lo anterior significa un gran potencial para el mercado eléctrico brasileño. Si por ejemplo, se instalaran gasificadores de biomasa y turbinas de gas en todos los ingenios localizados en el estado de São Paulo (Brasil), se podrían producir 6000 MW de electricidad. La posibilidad de generar cantidades significativas de electricidad se ha propuesto también en el caso de los residuos lignocelulósicos asociados a las plantas de producción de etanol que emplean la molienda en seco del maíz, como por ejemplo el rastrojo de maíz [52].
3.4.2. Coproductos actuales y potenciales
Las tendencias actuales en la ingeniería de procesos de producción de bioetanol se orientan a la obtención de co-productos que no sean combustibles y que contribuyan a balancear la economía del proceso global. En este sentido, muchos materiales generados durante el proceso y considerados anteriormente como desechos, podrían llegar a ser co-productos comercializables de alto valor. Lógicamente, el tipo de co-productos depende del tipo de materia prima empleada. En el caso de la producción de etanol a partir de caña, el bagazo representa un importante recurso del cual se puede derivar la producción de una amplia gama de productos ya sea por fermentación en estado sólido o para la producción de carbón activado. También se ha propuesto la recuperación de fructosa e invertasa a partir de las corrientes del proceso [53, 54].
Cuando se emplea maíz como materia prima mediante la tecnología de molienda húmeda, los principales componentes del grano se recuperan antes de que el almidón empiece su conversión a etanol. Se ha explorado la utilización de la fibra de maíz para la producción de enzimas por fermentación con microorganismos capaces de asimilar la arabinosa [55]. El rango de productos que se puede obtener de una biorrefinería moderna que emplea esta tecnología incluye el etanol, el jarabe de maíz con alto contenido en fructosa, el aceite de maíz, la harina de gluten de maíz, el alimento de gluten de maíz y productos de la industria química y de alimentos como las vitaminas y los aminoácidos [11]. En el caso de la molienda en seco de maíz, todos los componentes del grano están involucrados en el proceso de producción de etanol. De las corrientes residuales de la destilación del caldo de cultivo se pueden obtener, luego de las etapas de centrifugación y evaporación, los denominados granos secos de destilería con solubles (DDGS) que son empleados como componente de concentrados para animales debido a su contenido proteico. En 2004, las plantas productoras de etanol en EUA produjeron 7,3 mill de ton de DDGS que en parte fueron exportadas a Irlanda, Reino Unido, otros países de la Unión Europea, México y Canadá [56]. Taylor et al. [57] reportaron un proceso híbrido entre los dos tipos de molienda en el que se obtiene una fracción de aceite y germen de maíz junto con los DDGS.
Se considera que las configuraciones que permiten la recuperación de diferentes co- productos podrían mejorar significativamente la economía del proceso de producción de etanol a
partir de biomasa, pero a la fecha estas tecnologías no podrían ser competitivas sin la ayuda de exenciones tributarias [58]. Rubio et al. [59] han sugerido que la corriente rica en pentosas obtenida durante el pretratamiento se podría utilizar para la producción de productos químicos como el xilitol o el furfural. De hecho, el proceso Delhi de IIT contempla el uso de esta corriente para el cultivo de Candida utilis, que a su vez se puede emplear para alimentación animal [21]; asimismo se proyecta la obtención de lignina de alto peso molecular. El proceso Lignol también prevé la obtención de lignina libre de azufre en comparación a la lignina producida en las papeleras la cual se puede usar para la producción de adhesivos, plastificantes de concreto, materiales de fricción para frenos, lubricantes y antioxidantes de asfalto [60]. Wyman [47] señala que los compuestos fenólicos originados durante la degradación de la lignina podrían reaccionar con alcoholes para formar éteres metil o etil arílicos que se utilizarían como aditivos de la gasolina; sin embargo se la producción de tales éteres debe ser menos costosa que el uso de la lignina como combustible.
Kaylen et al. [61] revisaron las tecnologías más prometedoras para la producción de etanol a partir de biomasa, en especial en la etapa de pretratamiento, y seleccionaron un esquema que incluyó el pretratamiento con ácido diluido, la conversión de las pentosas liberadas en furfural, la hidrólisis con ácido concentrado de celulosa, la fermentación de hexosas empleando levaduras con recuperación del CO2, la destilación, el tratamiento anaeróbico de los efluentes recuperando el
metano generado y la recuperación de la celulosa y la lignina remanentes. Los resultados de la evaluación realizada mostraron que la producción de etanol como producto único no es viable mientras que la co-producción de etanol y furfural aparece como más rentable. Se formuló un problema de optimización utilizando el sistema GAMS (Generic Algebraic Modeling System) en el que se maximizó el valor presente neto definiéndose el tamaño óptimo de la planta así como su localización. Este tipo de biorrefinerías se puede beneficiar de la economía de escala al obtener un producto de gran mercado, así como otros co-productos obtenidos a partir de azúcares baratos generados durante la operación a gran escala del proceso, lo mismo que la producción de electricidad para su venta a la red eléctrica [62].