¿Podría el combustible para aviones a base de caña de azúcar ser la clave para un vuelo más limpio?

La industria de la aviación produce el 2 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono inducidas por el hombre. Esta participación puede parecer relativamente pequeña (para la perspectiva, la generación de electricidad y la calefacción doméstica representan más del 40 por ciento), pero la aviación es una de las fuentes de gases de efecto invernadero de más rápido crecimiento en el mundo. Se proyecta que la demanda de viajes aéreos se duplicará en los próximos 20 años.

Las aerolíneas están bajo presión para reducir sus emisiones de carbono y son altamente vulnerables a las fluctuaciones del precio del petróleo global. Estos desafíos han generado un gran interés en los combustibles para reactores derivados de la biomasa. El combustible de chorro biológico puede producirse a partir de diversos materiales vegetales, incluidos cultivos oleaginosos, cultivos de azúcar, plantas con almidón y biomasa lignocelulósica, a través de diversas rutas químicas y biológicas. Sin embargo, las tecnologías para convertir el petróleo en combustible para aviones están en una etapa más avanzada de desarrollo y producen una mayor eficiencia energética que otras fuentes.

Estamos diseñando la caña de azúcar, la planta más productiva del mundo, para producir petróleo que se puede convertir en combustible de chorro biológico. En un estudio reciente, descubrimos que el uso de esta caña de azúcar de ingeniería podría producir más de 2,500 litros de combustible de bio-jet por acre de tierra. En términos simples, esto significa que un Boeing 747 podría volar durante 10 horas con el combustible bio-jet producido en solo 54 acres de tierra.En comparación con dos fuentes de plantas que compiten entre sí, la soja y la jatropha, el lipidano produciría aproximadamente 15 y 13 veces más combustible de avión por unidad de tierra, respectivamente.

Creación de caña de azúcar de doble propósito

Los combustibles Bio-jet derivados de materias primas ricas en petróleo, como la camelina y las algas, se han probado con éxito en pruebas de concepto. ASTM International, una organización de desarrollo de estándares globales, ha aprobado una mezcla 50:50 de combustible para aviones a base de petróleo y combustible a reacción renovable hidroprocesado para vuelos comerciales y militares.

Sin embargo, incluso después de importantes esfuerzos de investigación y comercialización, los volúmenes actuales de producción de combustible de chorro biológico son muy pequeños. Hacer estos productos a mayor escala requerirá mejoras tecnológicas adicionales y abundantes materias primas de bajo costo (cultivos utilizados para producir el combustible).

La caña de azúcar es una fuente conocida de biocombustibles: Brasil ha estado fermentando jugo de caña de azúcar para producir combustible a base de alcohol durante décadas. El etanol de la caña de azúcar produce un 25 por ciento más de energía que la cantidad utilizada durante el proceso de producción y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en un 12 por ciento en comparación con los combustibles fósiles.

Nos preguntamos si podríamos aumentar la producción de aceite natural de la planta y utilizar el aceite para producir biodiesel, lo que proporciona beneficios ambientales aún mayores. El biodiesel produce un 93 por ciento más de energía de la que se necesita para hacerlo y reduce las emisiones en un 41 por ciento en comparación con los combustibles fósiles. El etanol y el biodiesel se pueden usar en el combustible de chorro biológico, pero las tecnologías para convertir el aceite derivado de la planta en combustible de avión se encuentran en una etapa avanzada de desarrollo, producen una alta eficiencia energética y están listas para el despliegue a gran escala.

Cuando propusimos por primera vez la ingeniería de la caña de azúcar para producir más petróleo, algunos de nuestros colegas pensaron que estábamos locos. Las plantas de caña de azúcar contienen solo 0.05 por ciento de aceite, que es muy poco para convertirlo en biodiesel. Muchos científicos de plantas plantearon que aumentar la cantidad de petróleo a 1 por ciento sería tóxico para la planta, pero nuestros modelos computarizados predijeron que podríamos aumentar la producción de petróleo a 20 por ciento.

Con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía, lanzamos un proyecto de investigación llamado Plantas diseñadas para reemplazar el petróleo en la caña de azúcar y el sorgo, o PETROSS, en 2012. Desde entonces, a través de la ingeniería genética hemos aumentado la producción de petróleo y Ácidos grasos para lograr un 12 por ciento de aceite en las hojas de la caña de azúcar.

Ahora estamos trabajando para lograr un 20 por ciento de petróleo (el límite teórico, según nuestros modelos de computadora) y apuntamos esta acumulación de aceite al tallo de la planta, donde es más accesible que en las hojas. Nuestra investigación preliminar ha demostrado que aun cuando las plantas diseñadas producen más petróleo, continúan produciendo azúcar. A estas plantas las denominamos lipidcane.

Múltiples productos de lipidano.

Lipidcane ofrece muchas ventajas para los agricultores y el medio ambiente. Calculamos que el crecimiento de lipidcane que contiene 20 por ciento de aceite sería cinco veces más rentable por acre que la soja, la principal materia prima utilizada actualmente para producir biodiesel en los Estados Unidos, y dos veces más rentable por acre que el maíz.

Para ser sostenible, el combustible de chorro biológico también debe ser económico de procesar y tener altos rendimientos de producción que minimicen el uso de tierras cultivables. Estimamos que, en comparación con la soja, el lipidano que contiene un 5 por ciento de petróleo podría producir cuatro veces más combustible de avión por acre de tierra. Los lípidos con 20 por ciento de petróleo podrían producir más de 15 veces más combustible de avión por acre.

Y el lipidano ofrece otros beneficios energéticos. Las partes de la planta que quedan después de la extracción del jugo, conocido como bagazo, pueden quemarse para producir vapor y electricidad. Según nuestro análisis, esto generaría más que suficiente electricidad para alimentar la biorrefinería, por lo que la energía excedente podría venderse nuevamente a la red, desplazando la electricidad producida a partir de combustibles fósiles, una práctica que ya se usa en algunas plantas en Brasil para producir etanol a partir de la caña de azúcar.

Un potencial cultivo bioenergético de los Estados Unidos.

La caña de azúcar crece en tierras marginales que no son adecuadas para muchos cultivos alimentarios. Actualmente se cultiva principalmente en Brasil, India y China. También estamos diseñando lipidcane para que sea más tolerante al frío para que pueda ser cultivado más ampliamente, particularmente en el sureste de los Estados Unidos en tierras subutilizadas.

Si dedicamos 23 millones de acres en el sureste de los Estados Unidos a lipidcane con un 20 por ciento de petróleo, estimamos que este cultivo podría producir el 65 por ciento del suministro de combustible para aviones de los Estados Unidos. En la actualidad, en dólares corrientes, ese combustible costaría a las aerolíneas US $ 5,31 por galón, que es menos que el combustible de chorro biológico producido a partir de algas u otros cultivos oleaginosos como la soja, la canola o el aceite de palma.

Lipidcane también podría cultivarse en Brasil y otras áreas tropicales. Como informamos recientemente en Nature Climate Change, la expansión significativa de la producción de caña de azúcar o de lípidos en Brasil podría reducir las emisiones mundiales actuales de dióxido de carbono hasta en un 5,6 por ciento. Esto se podría lograr sin afectar las áreas que el gobierno brasileño ha designado como ambientalmente sensibles, como la selva tropical.

En la búsqueda de 'caña de energía'

Nuestra investigación sobre los lípidos también incluye la ingeniería genética de la planta para que la fotosíntesis sea más eficiente, lo que se traduce en un mayor crecimiento. En un artículo publicado en 2016 en Science, uno de nosotros (Stephen Long) y colegas de otras instituciones demostraron que mejorar la eficiencia de la fotosíntesis en lipidano incrementó su crecimiento en un 20 por ciento. La investigación preliminar y los ensayos de campo paralelos sugieren que hemos mejorado la eficiencia fotosintética de la caña de azúcar en un 20 por ciento, y en casi un 70 por ciento en condiciones de frío.

Ahora nuestro equipo está comenzando a trabajar para diseñar una variedad de caña de azúcar de mayor rendimiento que llamamos "caña energética" para lograr una mayor producción de petróleo por acre. Tenemos más terreno que cubrir antes de que pueda comercializarse, pero el desarrollo de una planta viable con suficiente petróleo para producir económicamente biodiesel y biocombustible es un primer paso importante.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Deepak Kumar, Investigador Postdoctoral; Stephen P. Long, profesor de ciencias de los cultivos y biología vegetal; Vijay Singh, profesor de ingeniería agrícola y biológica y director del Laboratorio de investigación de bioprocesamiento integrado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Lee el artículo original aquí.