Etanol celulósico

El etanol celulósico es etanol (alcohol etílico) producido a partir de celulosa (la fibra fibrosa de una planta) en lugar de a partir de semillas o frutas de la planta. Es un biocombustible producido a partir de hierbas, madera, algas u otras plantas. Las partes fibrosas de las plantas son, en su mayoría, no comestibles para los animales, incluidos los humanos, excepto para los rumiantes (animales de pastoreo, masticadores, como vacas u ovejas).

Existe un considerable interés en el etanol celulósico debido a su importante potencial económico. El crecimiento de celulosa por parte de las plantas es un mecanismo que captura y almacena la energía solar químicamente de maneras no tóxicas con los suministros resultantes que son fáciles de transportar y almacenar. Además, el transporte puede ser innecesario de todos modos, ya que los pastos o los árboles pueden crecer casi en cualquier lugar de clima templado. Esta es la razón por la cual el etanol celulósico comercialmente práctico se considera como un próximo nivel de desarrollo para la industria de los biocombustibles que podría reducir la demanda de perforación de petróleo y gas e incluso la energía nuclear de una manera que el combustible de etanol a base de grano no puede. Existe un potencial para los muchos beneficios de los combustibles líquidos y productos petroquímicos carbonosos (de los que depende el nivel de vida actual), pero en un ciclo de carbono equilibrado y renovable (reciclar carbono de la superficie y la atmósfera en lugar de bombear carbono subterráneo y agregarle más ). El alcohol celulósico comercialmente práctico también podría evitar uno de los problemas con los biocombustibles convencionales (basados ​​en granos) de hoy en día, que es que crean una competencia por el grano con fines alimentarios, lo que podría aumentar el precio de los alimentos. Hasta la fecha, lo que se interpone en el camino de estos objetivos es que la producción de alcohol celulósico todavía no es lo suficientemente práctica a escala comercial.

Métodos de producción
Las dos formas de producir etanol a partir de celulosa son:

Procesos de celulólisis que consisten en hidrólisis en materiales lignocelulósicos pretratados, utilizando enzimas para romper la celulosa compleja en azúcares simples como la glucosa, seguido de fermentación y destilación.
Gasificación que transforma la materia prima lignocelulósica en monóxido de carbono gaseoso e hidrógeno. Estos gases se pueden convertir en etanol por fermentación o catálisis química.

Como es normal para la producción de etanol puro, estos métodos incluyen la destilación.

Celulolisis (abordaje biológico)
Las etapas para producir etanol utilizando un enfoque biológico son:

Una fase de «tratamiento previo», para hacer que el material lignocelulósico, como la madera o la paja, sea susceptible de hidrólisis.
Hidrólisis de celulosa (es decir, celulólisis) con celulasas, para descomponer las moléculas en azúcares.
Separación de la solución de azúcar de los materiales residuales, especialmente lignina
Fermentación microbiana de la solución de azúcar.
Destilación para producir aproximadamente 95% de alcohol puro.
Deshidratación por tamices moleculares para llevar la concentración de etanol a más del 99.5%

En 2010, se desarrolló una cepa de levadura diseñada genéticamente para producir sus propias enzimas que digieren celulosa. Suponiendo que esta tecnología pueda escalarse a niveles industriales, eliminaría uno o más pasos de celulolisis, reduciendo tanto el tiempo requerido como los costos de producción.

Si bien la lignocelulosa es el recurso de material vegetal más abundante, su uso se ve limitado por su estructura rígida. Como resultado, se necesita un tratamiento previo efectivo para liberar la celulosa del sello de lignina y su estructura cristalina para que sea accesible para una etapa de hidrólisis posterior. Con mucho, la mayoría de los tratamientos previos se realizan por medios físicos o químicos. Para lograr una mayor eficiencia, se requieren pretratamientos tanto físicos como químicos. El tratamiento previo físico a menudo se denomina reducción de tamaño para reducir el tamaño físico de la biomasa. El pretratamiento químico consiste en eliminar las barreras químicas para que las enzimas puedan tener acceso a la celulosa para las reacciones microbianas.

Hasta la fecha, las técnicas de pretratamiento disponibles incluyen hidrólisis ácida, explosión de vapor, expansión de fibra de amoníaco, organosolv, pretratamiento de sulfito, fraccionamiento de AVAP® (SO2-etanol-agua), oxidación alcalina húmeda y pretratamiento de ozono. Además de la liberación efectiva de celulosa, un tratamiento previo ideal tiene que minimizar la formación de productos de degradación debido a sus efectos inhibidores en los procesos posteriores de hidrólisis y fermentación. La presencia de inhibidores no solo complicará aún más la producción de etanol, sino que también aumentará el costo de producción debido a las etapas de desintoxicación que conlleva. Aunque el tratamiento previo por hidrólisis ácida es probablemente la técnica de tratamiento previo más antigua y más estudiada, produce varios inhibidores potentes, incluidos el furfural y el hidroximetilflufural (HMF), que son, de lejos, los inhibidores más tóxicos presentes en el hidrolizado lignocelulósico. La expansión de la fibra de amoniaco (AFEX) es un tratamiento previo prometedor sin efecto inhibitorio en el hidrolizado resultante.

La mayoría de los procesos de pretratamiento no son efectivos cuando se aplican a materias primas con alto contenido de lignina, como la biomasa forestal. Los procesos Organosolv, SPORL (‘tratamiento previo con sulfito para superar la recalcitación de lignocelulosa’) y SO2-etanol-agua (AVAP®) son los tres procesos que pueden lograr más del 90% de conversión de celulosa para la biomasa forestal, especialmente los de las especies de madera blanda. SPORL es el proceso más robusto de energía (producción de azúcar por unidad de energía en el tratamiento previo) y robusto para el tratamiento previo de biomasa forestal con muy baja producción de inhibidores de la fermentación. La formación de pulpa de organosolv es particularmente efectiva para las maderas duras y ofrece una fácil recuperación de un producto de lignina hidrofóbica por dilución y precipitación. El proceso AVAP® fracciona eficazmente todos los tipos de lignocelulósicos en celulosa limpiamente digestible, azúcares de hemicelulosa no degradados, lignina y lignosulfonatos reactivos, y se caracteriza por la recuperación eficiente de los productos químicos.

Hay dos procesos principales de hidrólisis de celulosa (celulólisis): una reacción química con ácidos o una reacción enzimática con celulasas.

Procesos celulolíticos.
Las moléculas de celulosa están compuestas por largas cadenas de moléculas de azúcar. En la hidrólisis de la celulosa (es decir, la celulólisis), estas cadenas se descomponen para liberar el azúcar antes de que se fermente para producir alcohol.

Hidrólisis química
En los métodos tradicionales desarrollados en el siglo XIX y principios del siglo XX, la hidrólisis se realiza atacando la celulosa con un ácido. El ácido diluido se puede usar a altas temperaturas y altas presiones, o se puede usar más ácido concentrado a temperaturas y presión atmosféricas más bajas. Una mezcla celulósica decristalizada de ácido y azúcares reacciona en presencia de agua para completar moléculas de azúcar individuales (hidrólisis). El producto de esta hidrólisis se neutraliza y se utiliza la fermentación de levadura para producir etanol. Como se mencionó, un obstáculo importante para el proceso de ácido diluido es que la hidrólisis es tan dura que se producen productos tóxicos de degradación que pueden interferir con la fermentación. BlueFire Renewables utiliza ácido concentrado porque no produce casi tantos inhibidores de la fermentación, pero debe separarse de la corriente de azúcar para que la separación por cromatografía de reciclaje [lecho móvil simulado (SMB), por ejemplo] sea comercialmente atractiva.

Los científicos del Servicio de Investigación Agrícola encontraron que pueden acceder y fermentar casi todos los azúcares restantes en la paja de trigo. Los azúcares se encuentran en las paredes celulares de la planta, que son muy difíciles de descomponer. Para acceder a estos azúcares, los científicos trataron la paja de trigo con peróxido alcalino y luego utilizaron enzimas especializadas para romper las paredes celulares. Este método produjo 93 galones estadounidenses (350 L) de etanol por tonelada de paja de trigo.

Hidrólisis encimática
Las cadenas de celulosa pueden romperse en moléculas de glucosa por las enzimas celulasas.

Esta reacción ocurre a la temperatura corporal en los estómagos de rumiantes como el ganado bovino y ovino, donde las enzimas son producidas por microbios. Este proceso utiliza varias enzimas en varias etapas de esta conversión. Usando un sistema enzimático similar, los materiales lignocelulósicos se pueden hidrolizar enzimáticamente en una condición relativamente suave (50 ° C y pH 5), permitiendo así una degradación efectiva de la celulosa sin la formación de subproductos que de otra manera inhibirían la actividad de la enzima. Todos los métodos principales de tratamiento previo, incluido el ácido diluido, requieren una etapa de hidrólisis enzimática para lograr un alto rendimiento de azúcar para la fermentación de etanol. Actualmente, la mayoría de los estudios de pretratamiento se han basado en el laboratorio, pero las empresas están explorando los medios para realizar la transición del laboratorio al piloto o la escala de producción.

Varias compañías de enzimas también han contribuido con importantes avances tecnológicos en el etanol celulósico a través de la producción en masa de enzimas para la hidrólisis a precios competitivos.

El hongo Trichoderma reesei es utilizado por Iogen Corporation para secretar «enzimas especialmente diseñadas» para un proceso de hidrólisis enzimática. Su materia prima (madera o paja) debe tratarse previamente para que sea susceptible de hidrólisis.

Otra compañía canadiense, SunOpta, usa el tratamiento previo de explosión de vapor, proporcionando su tecnología a las instalaciones de Verenium (anteriormente Celunol Corporation) en Jennings, Louisiana, las instalaciones de Abengoa en Salamanca, España, y una China Resources Alcohol Corporation en Zhaodong. Las instalaciones de producción de CRAC utilizan rastrojo de maíz como materia prima.

Genencor y Novozymes han recibido financiamiento del Departamento de Energía de los Estados Unidos para investigar la reducción del costo de las celulasas, enzimas clave en la producción de etanol celulósico por hidrólisis enzimática. Un avance reciente en este sentido fue el descubrimiento e inclusión de las polioxiacenas polisacáridas líticas. Estas enzimas son capaces de aumentar significativamente la acción de otras celulasas al atacar oxidativamente un sustrato de polisacárido.

Otras compañías de enzimas, como Dyadic International, están desarrollando hongos modificados genéticamente que producirían grandes volúmenes de enzimas celulasa, xilanasa y hemicelulasa, que se pueden usar para convertir residuos agrícolas tales como restos de maíz, granos destilados, paja de trigo y bagazo de caña de azúcar y energía. cultivos tales como hierba de césped en azúcares fermentables que pueden usarse para producir etanol celulósico.

En 2010, BP Biofuels compró la participación de Verenium en etanol celulósico, que a su vez se había formado mediante la fusión de Diversa y Celunol, y con la cual era propietaria y operadora conjunta de 1.4 millones de galones de EE. UU. (5,300 m3) por año planta de demostración en Jennings, LA, y las instalaciones y el personal del laboratorio en San Diego, CA. BP Biofuels continúa operando estas instalaciones, y ha comenzado las primeras fases para construir instalaciones comerciales. El etanol producido en las instalaciones de Jennings se envió a Londres y se mezcló con gasolina para proporcionar combustible para los Juegos Olímpicos.

KL Energy Corporation, anteriormente KL Process Design Group, inició la operación comercial de una planta de etanol celulósico de 1,5 millones de galones de EE. UU. (5,700 m3) por año en Upton, WY, en el último trimestre de 2007. La instalación de Western Biomass Energy se está actualizando. rendimientos de 40–45 galones estadounidenses (150–170 l) por tonelada seca. Es la primera instalación comercial de etanol celulósico en funcionamiento en la nación. El proceso de KL Energy utiliza un proceso de descomposición enzimática y descomposición termomecánica. La materia prima principal es la madera blanda, pero las pruebas de laboratorio ya han probado el proceso de KL Energy en orujo de vino, bagazo de caña de azúcar, residuos sólidos municipales y hierba de césped.

Fermentación microbiana
Tradicionalmente, la levadura de panadería (Saccharomyces cerevisiae), se ha utilizado durante mucho tiempo en la industria cervecera para producir etanol a partir de hexosas (azúcares de seis carbonos). Debido a la naturaleza compleja de los carbohidratos presentes en la biomasa lignocelulósica, una cantidad significativa de xilosa y arabinosa (azúcares de cinco carbonos derivados de la porción de hemicelulosa de la lignocelulosa) también está presente en el hidrolizado. Por ejemplo, en el hidrolizado de restos de maíz, aproximadamente el 30% del total de azúcares fermentables es xilosa. Como resultado, la capacidad de los microorganismos fermentadores para utilizar toda la gama de azúcares disponibles a partir del hidrolizado es vital para aumentar la competitividad económica del etanol celulósico y de las proteínas potencialmente biobasadas.

En los últimos años, la ingeniería metabólica para microorganismos utilizados en la producción de etanol combustible ha mostrado un progreso significativo. Además de Saccharomyces cerevisiae, microorganismos como Zymomonas mobilis y Escherichia coli han sido atacados mediante ingeniería metabólica para la producción de etanol celulósico.

Recientemente, se han descrito levaduras artificiales que fermentan eficientemente la xilosa y la arabinosa, e incluso ambas juntas. Las células de levadura son especialmente atractivas para los procesos de etanol celulósico porque se han utilizado en biotecnología durante cientos de años, son tolerantes a altas concentraciones de etanol e inhibidores y pueden crecer a bajos valores de pH para reducir la contaminación bacteriana.

Hidrólisis y fermentación combinadas.
Se han encontrado algunas especies de bacterias capaces de la conversión directa de un sustrato de celulosa en etanol. Un ejemplo es Clostridium thermocellum, que utiliza un celulosoma complejo para descomponer la celulosa y sintetizar etanol. Sin embargo, C. thermocellum también produce otros productos durante el metabolismo de la celulosa, incluidos el acetato y el lactato, además del etanol, lo que reduce la eficiencia del proceso. Algunos esfuerzos de investigación están dirigidos a optimizar la producción de etanol mediante la ingeniería genética de bacterias que se centran en la vía de producción de etanol.

Proceso de gasificación (enfoque termoquímico).
El proceso de gasificación no se basa en la descomposición química de la cadena de celulosa (celulólisis). En lugar de romper la celulosa en moléculas de azúcar, el carbono en la materia prima se convierte en gas de síntesis, utilizando lo que equivale a la combustión parcial. El monóxido de carbono, el dióxido de carbono y el hidrógeno pueden alimentarse a un tipo especial de fermentador. En lugar de la fermentación de azúcar con levadura, este proceso utiliza la bacteria Clostridium ljungdahlii. Este microorganismo ingerirá monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno y producirá etanol y agua. El proceso puede así dividirse en tres pasos:

Gasificación: las moléculas complejas basadas en carbono se separan para acceder al carbono como monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno.
Fermentación: convierte el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y el hidrógeno en etanol utilizando el organismo Clostridium ljungdahlii
Destilación – El etanol se separa del agua.

Un estudio reciente ha encontrado otra bacteria Clostridium que parece ser dos veces más eficiente en la producción de etanol a partir de monóxido de carbono que la mencionada anteriormente.

Alternativamente, el gas de síntesis de la gasificación se puede alimentar a un reactor catalítico donde se usa para producir etanol y otros alcoholes superiores a través de un proceso termoquímico. Este proceso también puede generar otros tipos de combustibles líquidos, un concepto alternativo demostrado con éxito por la empresa Enerkem, con sede en Montreal, en sus instalaciones de Westbury, Quebec.

Hemicelulosa al etanol
Se realizan estudios intensivos para desarrollar métodos económicos para convertir celulosa y hemicelulosa en etanol. La fermentación de la glucosa, el principal producto del hidrolizado de celulosa, al etanol es una técnica ya establecida y eficiente. Sin embargo, la conversión de xilosa, el azúcar de pentosa del hidrolizado de hemicelulosa, es un factor limitante, especialmente en presencia de glucosa. Además, no se puede ignorar, ya que la hemicelulosa aumentará la eficiencia y la rentabilidad de la producción de etanol celulósico.

Sakamoto (2012) et al. Mostrar el potencial de los microbios de la ingeniería genética para expresar enzimas hemicelulasas. Los investigadores crearon una cepa recombinante de Saccharomyces cerevisiae que fue capaz de:

hidrolizar la hemicelulasa a través de la codificación de endoxilanasa en su superficie celular,
asimilar la xilosa mediante la expresión de la xilosa reductasa y la xilitol deshidrogenasa.

La cepa pudo convertir el hidrolizado de paja de arroz en etanol, que contiene componentes hemicelulósicos. Además, fue capaz de producir 2,5 veces más etanol que la cepa de control, lo que demuestra el proceso altamente efectivo de la ingeniería de superficie celular para producir etanol.

Barrera costo de la enzima
Las celulasas y hemicelulasas utilizadas en la producción de etanol celulósico son más caras en comparación con sus contrapartes de primera generación. Las enzimas requeridas para la producción de etanol de grano de maíz cuestan 2.64-5.28 dólares por metro cúbico de etanol producido. Se proyecta que las enzimas para la producción de etanol celulósico cuestan 79,25 dólares estadounidenses, lo que significa que son entre 20 y 40 veces más caras. Las diferencias de costos se atribuyen a la cantidad requerida. La familia de enzimas de celulasa tiene una magnitud de eficiencia de uno a dos órdenes más pequeña. Por lo tanto, requiere de 40 a 100 veces más de la enzima para estar presente en su producción. Por cada tonelada de biomasa se requieren 15-25 kilogramos de enzima. Las estimaciones más recientes son más bajas, lo que sugiere 1 kg de enzima por tonelada seca de materia prima de biomasa. También hay costos de capital relativamente altos asociados con los largos tiempos de incubación para el recipiente que realiza la hidrólisis enzimática. En total, las enzimas comprenden una porción significativa de 20-40% para la producción de etanol celulósico. Un artículo reciente estima el rango en 13-36% de los costos en efectivo, con un factor clave que es cómo se produce la enzima celulasa. Para la celulasa producida fuera del sitio, la producción de enzimas representa el 36% del costo en efectivo. Para la enzima producida en el sitio en una planta separada, la fracción es del 29%; Para la producción integrada de enzimas, la facción es del 13%. Uno de los beneficios clave de la producción integrada es que la biomasa en lugar de la glucosa es el medio de crecimiento enzimático. La biomasa cuesta menos, y convierte al etanol celulósico resultante en un biocombustible de segunda generación del 100%, es decir, no utiliza «alimentos para combustible».

Materias primas
En general, existen dos tipos de materias primas: biomasa forestal (leñosa) y biomasa agrícola. En los EE. UU., Se pueden producir de forma sostenible aproximadamente 1.400 millones de toneladas secas de biomasa anualmente. Cerca de 370 millones de toneladas o el 30% son biomasa forestal. La biomasa forestal tiene mayor contenido de celulosa y lignina y menor contenido de hemicelulosa y ceniza que la biomasa agrícola. Debido a las dificultades y al bajo rendimiento de etanol en el hidrolizado de pre-tratamiento de fermentación, especialmente aquellos con azúcares de hemicelulosa de 5 carbonos muy altos, como la xilosa, la biomasa forestal tiene ventajas significativas sobre la biomasa agrícola. La biomasa forestal también tiene una alta densidad que reduce significativamente el costo de transporte. Se puede cosechar durante todo el año, lo que elimina el almacenamiento a largo plazo. El contenido cercano a cero de cenizas de la biomasa forestal reduce significativamente la carga muerta en el transporte y el procesamiento. Para satisfacer las necesidades de biodiversidad, la biomasa forestal será una importante combinación de suministro de materia prima de biomasa en la futura economía de base biológica. Sin embargo, la biomasa forestal es mucho más recalcitrante que la biomasa agrícola. Recientemente, el Laboratorio de Productos Forestales del USDA junto con la Universidad de Wisconsin-Madison desarrollaron tecnologías eficientes que pueden superar la fuerte recalculación de la biomasa forestal (leñosa), incluidas las de especies de madera blanda que tienen un bajo contenido de xilano. El cultivo intensivo de rotación corta o el cultivo de árboles pueden ofrecer una oportunidad casi ilimitada para la producción de biomasa forestal.

Las astillas de madera de los tajos y las copas de los árboles y el polvo de las sierras y la pasta de papel de desecho son materias primas de biomasa forestal comunes para la producción de etanol celulósico.

Los siguientes son algunos ejemplos de biomasa agrícola:

Switchgrass (Panicum virgatum) es una pradera nativa de pastos altos. Conocida por su resistencia y rápido crecimiento, esta planta perenne crece durante los meses cálidos a alturas de 2 a 6 pies. Switchgrass se puede cultivar en la mayor parte de los Estados Unidos, incluidos pantanos, llanuras, arroyos y a lo largo de las costas y carreteras interestatales. Es auto-sembradora (sin tractor para sembrar, solo para cortar el césped), resistente a muchas enfermedades y plagas, y puede producir altos rendimientos con aplicaciones bajas de fertilizantes y otros productos químicos. También es tolerante a los suelos pobres, las inundaciones y la sequía; Mejora la calidad del suelo y evita la erosión por su tipo de sistema radicular.

Switchgrass es un cultivo de cobertura aprobado para terrenos protegidos por el Programa de Reserva de Conservación (CRP) federal. CRP es un programa gubernamental que paga a los productores una tarifa por no cultivar en tierras en las que los cultivos crecieron recientemente. Este programa reduce la erosión del suelo, mejora la calidad del agua y aumenta el hábitat de la vida silvestre. La tierra CRP sirve como un hábitat para el juego de tierras altas, como los faisanes y los patos, y una serie de insectos. El pasto para la producción de biocombustibles se ha considerado para uso en terrenos del Programa de Reserva de Conservación (CRP), lo que podría aumentar la sostenibilidad ecológica y reducir el costo del programa de CRP. Sin embargo, las reglas de CRP deberían modificarse para permitir este uso económico de la tierra de CRP.

Miscanthus × giganteus es otra materia prima viable para la producción de etanol celulósico. Esta especie de pasto es nativa de Asia y es el híbrido triploide estéril de Miscanthus sinensis y Miscanthus sacchariflorus. Puede crecer hasta 12 pies (3,7 m) de altura con poca agua o fertilizante. Miscanthus es similar a switchgrass con respecto a la tolerancia al frío y la sequía y la eficiencia en el uso del agua. Miscanthus se cultiva comercialmente en la Unión Europea como una fuente de energía combustible.

Las mazorcas de maíz y los restos de maíz son la biomasa agrícola más popular.

Se ha sugerido que Kudzu puede convertirse en una fuente valiosa de biomasa.

Efectos ambientales
El impacto ambiental de la producción de combustibles es un factor importante para determinar su factibilidad como alternativa a los combustibles fósiles. A largo plazo, las pequeñas diferencias en el costo de producción, las ramificaciones ambientales y la producción de energía pueden tener grandes efectos. Se ha encontrado que el etanol celulósico puede producir una salida de energía neta positiva. La reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) del etanol de maíz y el etanol celulósico en comparación con los combustibles fósiles es drástica. El etanol de maíz puede reducir las emisiones totales de GEI en aproximadamente un 13%, mientras que esa cifra es de alrededor del 88% o más para el etanol celulósico. Además, el etanol celulósico puede reducir las emisiones de dióxido de carbono a casi cero.

Tierras de cultivo
Una preocupación importante por la viabilidad de los combustibles alternativos actuales es la tierra de cultivo necesaria para producir los materiales requeridos. Por ejemplo, la producción de maíz para combustible de etanol de maíz compite con las tierras de cultivo que pueden utilizarse para el crecimiento de alimentos y otras materias primas. La diferencia entre esto y la producción de etanol celulósico es que el material celulósico está ampliamente disponible y se deriva de un gran recurso de cosas. Algunos cultivos utilizados para la producción de etanol celulósico incluyen hierba de césped, rastrojo de maíz y álamo híbrido. Estos cultivos crecen rápidamente y se pueden cultivar en muchos tipos de tierra, lo que los hace más versátiles. El etanol celulósico también se puede hacer a partir de residuos de madera (virutas y aserrín), residuos sólidos municipales como basura o desperdicios, papel y lodos de depuradora, pajitas de cereales y pastos. Las partes no comestibles del material vegetal son las que se utilizan para producir etanol celulósico, lo que también minimiza el costo potencial del uso de productos alimenticios en la producción.

La efectividad del cultivo de cultivos para biomasa puede variar enormemente dependiendo de la ubicación geográfica de la parcela. Por ejemplo, factores como la precipitación y la exposición a la luz solar pueden afectar en gran medida la entrada de energía requerida para mantener los cultivos y, por lo tanto, afectar la producción de energía en general. Un estudio realizado durante cinco años demostró que el crecimiento y la gestión de la hierba de césped exclusivamente como un cultivo energético de biomasa puede producir un 500% o más de energía renovable que la que se consume durante la producción. Los niveles de emisiones de GEI y dióxido de carbono también se redujeron drásticamente al usar etanol celulósico en comparación con la gasolina tradicional.

A base de maíz vs. a base de hierba
En 2008, solo había una pequeña cantidad de hierba de hierba dedicada a la producción de etanol. Para que se cultive en una producción a gran escala, debe competir con los usos existentes de las tierras agrícolas, principalmente para la producción de productos agrícolas. De los 2,26 billones de acres (9,1 millones de km2) de tierras no sumergidas de los Estados Unidos, 33% son tierras forestales, 26% pastizales y pastizales, y 20% tierras de cultivo. Un estudio realizado por los Departamentos de Energía y Agricultura de EE. UU. En 2005 determinó si había suficientes recursos de tierra disponibles para sostener la producción de más de mil millones de toneladas secas de biomasa por año para reemplazar el 30% o más del uso actual de combustibles líquidos para el transporte de la nación. El estudio descubrió que podría haber 1.300 millones de toneladas secas de biomasa disponibles para el uso del etanol, haciendo pequeños cambios en las prácticas agrícolas y forestales y satisfaciendo las demandas de productos forestales, alimentos y fibra. Un estudio reciente realizado por la Universidad de Tennessee informó que hasta 100 millones de acres (400,000 km2, o 154,000 millas cuadradas) de tierras de cultivo y pastos deberán asignarse a la producción de pasto para compensar el uso de petróleo en un 25 por ciento.

Actualmente, el maíz es más fácil y menos costoso de procesar en etanol en comparación con el etanol celulósico. El Departamento de Energía estima que cuesta alrededor de $ 2.20 por galón para producir etanol celulósico, que es el doble que el etanol del maíz. Las enzimas que destruyen el tejido de la pared celular de las plantas cuestan de 30 a 50 centavos por galón de etanol, en comparación con los 3 centavos por galón del maíz. El Departamento de Energía espera reducir el costo de producción a $ 1.07 por galón para 2012 para que sea efectivo. Sin embargo, la biomasa celulósica es más barata de producir que el maíz, ya que requiere menos insumos, como energía, fertilizantes, herbicidas y se acompaña de una menor erosión del suelo y una mejor fertilidad del suelo. Además, los sólidos no fermentables y no convertidos que quedan después de producir etanol se pueden quemar para proporcionar el combustible necesario para operar la planta de conversión y producir electricidad. La energía utilizada para operar las plantas de etanol a base de maíz se deriva del carbón y el gas natural. El Instituto para la autosuficiencia local estima que el costo del etanol celulósico de la primera generación de plantas comerciales estará en el rango de $ 1.90 a $ 2.25 por galón, sin incluir los incentivos. Esto se compara con el costo actual de $ 1.20– $ 1.50 por galón para etanol a partir de maíz y el precio minorista actual de más de $ 4.00 por galón para gasolina regular (que está subsidiada y sujeta a impuestos).

Una de las principales razones para aumentar el uso de biocombustibles es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En comparación con la gasolina, el etanol se quema de forma más limpia, lo que pone menos dióxido de carbono y la contaminación general en el aire. Además, solo se producen niveles bajos de smog a partir de la combustión. Según el Departamento de Energía de EE. UU., El etanol de celulosa reduce la emisión de gases de efecto invernadero en un 86 por ciento en comparación con la gasolina y el etanol a base de maíz, lo que reduce las emisiones en un 52 por ciento. Las emisiones de gas de dióxido de carbono son 85% más bajas que las de la gasolina. El etanol celulósico contribuye poco al efecto invernadero y tiene un balance neto de energía cinco veces mejor que el etanol a base de maíz. Cuando se usa como combustible, el etanol celulósico libera menos azufre, monóxido de carbono, partículas y gases de efecto invernadero. El etanol celulósico debería otorgar a los productores créditos de reducción de carbono, más altos que los que reciben los productores que cultivan maíz para obtener etanol, que es de aproximadamente 3 a 20 centavos por galón.

Se requieren 0.76 J de energía de los combustibles fósiles para producir 1 J de etanol a partir de maíz. Este total incluye el uso de combustibles fósiles utilizados para fertilizantes, combustible para tractores, operación de plantas de etanol, etc. Las investigaciones han demostrado que los combustibles fósiles pueden producir más de cinco veces el volumen de etanol de las praderas, según Terry Riley, Presidente de Política en el Theodore Roosevelt Conservation Partnership. El Departamento de Energía de los Estados Unidos concluye que el etanol a base de maíz proporciona un 26 por ciento más de energía de la que requiere para la producción, mientras que el etanol celulósico proporciona un 80 por ciento más de energía. El etanol celulósico produce un 80 por ciento más de energía de la que se necesita para crecer y convertirlo. El proceso de convertir el maíz en etanol requiere aproximadamente 1700 veces (en volumen) tanta agua como el etanol producido. [Dudoso – discutir] Además, deja 12 veces su volumen en residuos. El etanol de grano usa solo la porción comestible de la planta.

La celulosa no se usa como alimento y se puede cultivar en todo el mundo. Toda la planta puede ser utilizada cuando se produce etanol celulósico. Switchgrass produce el doble de etanol por acre que el maíz. Por lo tanto, se necesita menos tierra para la producción y, por lo tanto, menos fragmentación del hábitat. Los materiales de biomasa requieren menos insumos, como fertilizantes, herbicidas y otros productos químicos que pueden representar un riesgo para la vida silvestre. Sus extensas raíces mejoran la calidad del suelo, reducen la erosión y aumentan la captura de nutrientes. Los cultivos energéticos herbáceos reducen la erosión del suelo en más del 90%, en comparación con la producción de cultivos convencionales. Esto puede traducirse en una mejor calidad del agua para las comunidades rurales. Además, los cultivos energéticos herbáceos agregan material orgánico a los suelos agotados y pueden aumentar el carbono del suelo, lo que puede tener un efecto directo en el cambio climático, ya que el carbono del suelo puede absorber dióxido de carbono en el aire. En comparación con la producción de cultivos básicos, la biomasa reduce la escorrentía superficial y el transporte de nitrógeno. Switchgrass proporciona un entorno para diversas especies de vida silvestre, principalmente insectos y aves terrestres. Las tierras del Programa de Reserva de Conservación (CRP) están compuestas de pastos perennes, que se utilizan para el etanol celulósico, y pueden estar disponibles para su uso.

Durante años, los agricultores estadounidenses han practicado el cultivo en hileras, con cultivos como el sorgo y el maíz. Debido a esto, se sabe mucho sobre el efecto de estas prácticas en la vida silvestre. El efecto más significativo del aumento del etanol de maíz sería la tierra adicional que se tendría que convertir al uso agrícola y el aumento de la erosión y el uso de fertilizantes que acompaña a la producción agrícola. El aumento de nuestra producción de etanol a través del uso del maíz podría producir efectos negativos en la vida silvestre, cuya magnitud dependerá de la escala de producción y de si la tierra utilizada para este aumento de producción estuvo anteriormente inactiva, en estado natural, o plantada con otra hilera cultivos Otra consideración es si plantar un monocultivo de pasto o utilizar una variedad de pastos y otra vegetación. Si bien una mezcla de tipos de vegetación probablemente proporcionaría un mejor hábitat para la vida silvestre, la tecnología aún no se ha desarrollado para permitir el procesamiento de una mezcla de diferentes especies de gramíneas o tipos de vegetación en bioetanol. Por supuesto, la producción de etanol celulósico todavía está en su infancia, y la posibilidad de utilizar diversos soportes de vegetación en lugar de monocultivos merece una exploración más profunda a medida que la investigación continúa.

Un estudio realizado por Paul Crutzen, ganador del Premio Nobel, encontró que el etanol producido a partir del maíz tenía un efecto de «calentamiento climático neto» cuando se compara con el petróleo cuando la evaluación del ciclo de vida completo considera adecuadamente las emisiones de óxido nitroso (N20) que se producen durante la producción de etanol de maíz. Crutzen descubrió que los cultivos con menos demanda de nitrógeno, como los pastos y las especies de coppice leñosas, tienen impactos climáticos más favorables.