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Biocombustibles Renovables: Bioetanol y Biodiesel a partir de Cultivos Agrícolas, Ejercicios de Química

Una introducción a los biocombustibles renovables, específicamente el bioetanol y el biodiesel, que se obtienen a partir de cultivos agrícolas. Se discuten los desafíos de la producción de estos biocombustibles, como la competencia con la producción de alimentos y el balance de co2 neutro. Además, se menciona la tecnología de biocombustibles de segunda generación y la utilización de residuos vegetales para la producción sostenible de combustibles.

Qué aprenderás

  • ¿Cómo se producen biocombustibles de segunda generación?
  • ¿Qué son los biocombustibles renovables y cómo se obtienen?
  • ¿Qué desafíos presentan la producción de bioetanol y biodiesel?

Tipo: Ejercicios

2020/2021

Subido el 22/02/2021

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La bioenergía, obtenida a partir de biomasa sólida, biocombustibles líquidos o biogás,
tiene un papel fundamental, ya que supone más de dos tercios (un 68%) de la energía
renovable total producida en la Unión Europea.
Biocombustibles de 1ª generación
Los biocombustibles líquidos son empleados en el transporte y la industria, se pueden
utilizar o mezclar con carburante de casi cualquier sustancia orgánica líquida o gasificable
si contamos con el motor de combustión interna adecuado. Estos sustitutos de los
combustibles fósiles son bioetanol y biodiesel, que se obtienen a partir de cultivos
agrícolas. El bioetanol se obtiene a partir de la fermentación de azúcares (obtenidos de
cultivos como caña de azúcar, remolacha, melaza, sorgo) o de almidones (granos de trigo,
cebada, maíz, tubérculos o raíces). El biodiesel es un sustitutivo del gasoil obtenido
mediante la transesterificación de aceites y grasas de origen vegetal (soja, colza, girasol,
palma, etc.).
El uso de almidón y aceites como fuentes de materia prima para la fabricación de
biocombustibles de generación ha sido criticada en los últimos años, porque han
llegado a desplazar el uso de suelo para la producción de alimentos, lo que ha supuesto un
aumento en el precio del cereal, lo que compromete el suministro de alimentos en
algunos países. A estos biocombustibles se les responsabiliza de la deforestación de
bosques tropicales para obtener más tierras de cultivo, comprometiendo el medio
ambiente, lo que ha provocado cierto rechazo social al uso de estos cultivos para producir
bioenergía. Se ha incrementado la investigación orientada a identificar y domesticar
cultivos energéticos que no compitan con la producción de alimentos, y en los que el coste
energético de su producción y procesado llegue a tener un balance de CO2 neutro, siendo
realmente renovables.
Biocombustibles de 2ª generación: un paso adelante
En cuanto a la siguiente generación de cultivos para la producción de biocombustibles, la
tecnología pretende que la materia prima utilizada para la producción de energía no
compita con la producción de alimentos. Utilizando residuos de cultivos alimentarios, que
actualmente no se utilizan para la alimentación, y, por otro, la identificación y
domesticación de nuevos cultivos que reduzcan su balance neto de CO2 y que sean fáciles
de procesar a precios competitivos. Asimismo, la disponibilidad de suelo cultivable está
cada vez más limitada. Un requerimiento esencial de estos nuevos cultivos será su
capacidad para crecer en tierras marginales, pobres en nutrientes o contaminadas y con
pocos recursos hídricos, inviables para la producción de alimentos. Es decir, los llamados
“biocombustibles de 2ª generación” deberán resolver todos estos retos así como todos los
problemas de producción y tecnología de procesado asociados.
El bioetanol de generación se consigue a partir de la degradación de material
lignocelulósico, obtenido a partir de residuos agrícolas de cosechas o a partir de plantas
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La bioenergía, obtenida a partir de biomasa sólida, biocombustibles líquidos o biogás, tiene un papel fundamental, ya que supone más de dos tercios (un 68%) de la energía renovable total producida en la Unión Europea. Biocombustibles de 1ª generación Los biocombustibles líquidos son empleados en el transporte y la industria, se pueden utilizar o mezclar con carburante de casi cualquier sustancia orgánica líquida o gasificable si contamos con el motor de combustión interna adecuado. Estos sustitutos de los combustibles fósiles son bioetanol y biodiesel, que se obtienen a partir de cultivos agrícolas. El bioetanol se obtiene a partir de la fermentación de azúcares (obtenidos de cultivos como caña de azúcar, remolacha, melaza, sorgo) o de almidones (granos de trigo, cebada, maíz, tubérculos o raíces). El biodiesel es un sustitutivo del gasoil obtenido mediante la transesterificación de aceites y grasas de origen vegetal (soja, colza, girasol, palma, etc.). El uso de almidón y aceites como fuentes de materia prima para la fabricación de biocombustibles de 1ª generación ha sido criticada en los últimos años, porque han llegado a desplazar el uso de suelo para la producción de alimentos, lo que ha supuesto un aumento en el precio del cereal, lo que compromete el suministro de alimentos en algunos países. A estos biocombustibles se les responsabiliza de la deforestación de bosques tropicales para obtener más tierras de cultivo, comprometiendo el medio ambiente, lo que ha provocado cierto rechazo social al uso de estos cultivos para producir bioenergía. Se ha incrementado la investigación orientada a identificar y domesticar cultivos energéticos que no compitan con la producción de alimentos, y en los que el coste energético de su producción y procesado llegue a tener un balance de CO2 neutro, siendo realmente renovables. Biocombustibles de 2ª generación: un paso adelante En cuanto a la siguiente generación de cultivos para la producción de biocombustibles, la tecnología pretende que la materia prima utilizada para la producción de energía no compita con la producción de alimentos. Utilizando residuos de cultivos alimentarios, que actualmente no se utilizan para la alimentación, y, por otro, la identificación y domesticación de nuevos cultivos que reduzcan su balance neto de CO2 y que sean fáciles de procesar a precios competitivos. Asimismo, la disponibilidad de suelo cultivable está cada vez más limitada. Un requerimiento esencial de estos nuevos cultivos será su capacidad para crecer en tierras marginales, pobres en nutrientes o contaminadas y con pocos recursos hídricos, inviables para la producción de alimentos. Es decir, los llamados “biocombustibles de 2ª generación” deberán resolver todos estos retos así como todos los problemas de producción y tecnología de procesado asociados. El bioetanol de 2ª generación se consigue a partir de la degradación de material lignocelulósico, obtenido a partir de residuos agrícolas de cosechas o a partir de plantas

herbáceas o leñosas. Este material está formado por una mezcla de lignina, hemicelulosa y celulosa; por ello casi cualquier residuo vegetal podría ser transformado en azúcar y después, gracias a la fermentación por levaduras, obtener el bioetanol deseado. La celulosa no es de uso alimentario, por lo que aprovechando los residuos vegetales generados durante el cultivo de especies destinadas a la producción de alimentos, por lo que es una fuente óptima de materia prima para la producción de combustibles de forma sostenible. Se trabaja en mejorar cultivos energéticos que buscan rápidos y eficientes rendimientos de biomasa y de celulosa: es decir, rápido crecimiento vascular de la planta con muy poco o ningún aporte de insumos agrícolas. Se estudian especies vegetales como el Panicum virgatum o “pasto varilla”, una herbácea nativa de rápido crecimiento y adaptable a variadas condiciones climatológicas. O como el Miscanthus giganteus, un pasto perenne emparentado con la caña de azúcar. Su rendimiento medio de producción de biomasa duplica al del Panicum virgatum y supera en un 50% al del maíz. Además, se puede cultivar en terrenos que no se utilizan para la producción de alimentos. La Pawlonia, un árbol caducifolio nativo de Asia y muy usado para reforestación y para abastecimiento de madera, se está empezando a introducir en España por su rápido crecimiento y su versatilidad, ya que es utilizable también para recuperar suelos degradados. En cuanto a la producción de biodiesel de 2º generación, que como hemos comentado anteriormente se obtiene mediante un proceso químico (transesterificación) a partir de aceites vegetales, se están tratando de identificar y mejorar otras especies oleaginosas de cuya semilla puedan extraerse aceites de mejor calidad y que puedan ser sustitutivas de las tradicionalmente empleadas como materia prima: soja, colza, girasol, palma…, que tienen una clara aplicación alimentaria. Uno de los cultivos energéticos que más esperanzas ha despertado en este sentido es la Jatropha curcas. Esta planta arbustiva, originaria de Centroamérica y África, es miembro de la familia de las Euphorbias y sus semillas se han utilizado desde hace mucho tiempo para extraer aceite con el que fabricar jabón y velas. Una de sus ventajas, aparte del alto contenido de aceite en su semilla (más del 40%), es su crecimiento en áreas no cultivables o erosionadas, por lo que no compite con cultivos alimentarios. Países como India (con entre 500.000 y 600.000 hectáreas) y China (unos 2 millones de hectáreas, según datos del año 2007) se han lanzado a la producción masiva de este cultivo, que puede vivir más de 50 años, 30 de ellos dando fruto incluso en condiciones de sequía. Otros países africanos, además de Filipinas, también han iniciado plantaciones a gran escala de este cultivo. Existen investigaciones que demuestran que obtener biodiesel a partir de la Jatropha es más ventajoso, en cuanto a eficiencia, energía utilizada y emisiones de CO2, que a partir de otras materias primas como la colza, el girasol y la soja. Investigadores de la India (posiblemente el país más avanzado en el estudio de esta planta como fuente de aceite para biodiesel) coinciden en que el cultivo de Jatropha es conveniente en terrenos no productivos. Es un buen cultivo de barbecho, pues ha desarrollado un sistema radicular que frena la erosión del suelo e incrementa el

y como fuente de azúcares para producir bioetanol. A este fin, es importante profundizar en el conocimiento y regulación de las rutas bioquímicas de síntesis y degradación del material lignocelulósico, así como la identificación de nuevas especies y su mejora, con el objetivo de que sean fácilmente procesables para obtener combustibles. Desarrollo y mejora de nuevos cultivos oleaginosos (que no compitan con otros cultivos oleaginosos alimentarios), cuyo perfil de lípidos sea idóneo para producción de biodiesel e incluso de biolubricantes. Desarrollo y mejora de nuevos cultivos-biofactoría como fuente directa de hidrocarburos (“biocombustibles de 3ª generación”) obtenidos a partir de metabolitos secundarios acumulados en nuevas especies aun sin explotar. Desarrollo de nuevas aproximaciones al cultivo de biomasa en confinamiento (microorganismos, cultivos celulares, microalgas, residuos urbanos o industriales), produciendo biomoléculas ricas en energía y polímeros con potencial para generar biocombustibles. La I+D en biotecnología vegetal ha experimentado un desarrollo espectacular en los últimos años; es por tanto el momento en el que esta tecnología puede aportar sus herramientas para abordar con éxito todos los retos que el sector tiene planteados. La genómica y la biología molecular en general permitirán determinar de forma eficaz el potencial aplicado de nuevas especies nunca explotadas hasta ahora y mejorar la utilización de las variedades ya existentes para la producción de biocombustibles de forma más eficiente, respetuosa con el medioambiente y sin comprometer la producción de alimentos. La biología vegetal de última generación permitirá aumentar el conocimiento de aspectos básicos del crecimiento y metabolismo de las plantas, generando cultivos que incrementen su biomasa, que fijen más eficazmente el CO2, cuya extracción de azúcar a partir de celulosa sea más eficiente e, incluso, que acumulen directamente biocarburantes para la generación de biocombustibles. Sin duda, la biotecnología se convertirá en una herramienta imprescindible para el desarrollo de una producción sostenible y eficiente de biocombustibles, lo que nos permitirá afrontar los desafíos energéticos y medioambientales de las próximas décadas.