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Revista Latinoamericana

el Ambiente y las

Ciencias

RLAC

Contenido

Resumen .................................... 2

Abstract ...................................... 4

A manera de introducción .......... 5

Problemática ............................... 6

La solución del metano ............... 12

Propuesta de solución ................ 13

Bagazo de caña ........................... 16

Etanol. vinazas, metano y bio-masa ..17

Puntos de intere s especial

Química Sustentable

2012 AÑO INTERNACIONAL DE LA ENERGÍA SUSTENTABLE PARA

TODOS: PRESENCIA E IMPACTO DEL GRUPO CONFORMADO POR

ALGUNOS ACADÉMICOS DE LA COMISIÓN DE QUÍMICA DE LA

ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS, ARTES, TECNOLOGÍA Y HU-

MANIDADES, AMCATH, DE LA RED PARA ANÁLISIS DE LA CALIDAD

AMBIENTAL EN MÉXICO, RACAM, DE LA RED DE MEDIO AMBIEN-

TE Y SUSTENTABILIDAD, ReMAS, DE LA RED PARA ANÁLISIS DE LA

CALIDAD AMBIENTAL DE AMÉRICA LATINA, RACAL, Y DE LA RED

INTERNACIONAL DE CIENCIAS AMBIENTALES, RedICA EN LAS

ÁREAS DE DOCENCIA E INVESTIGACIÓN SOBRE LA QUÍMICA AM-

BIENTAL Y SUS APLICACIONES EN LA INGENIERÍA VERDE PARA EL

DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS MÁS LIMPIAS

2012 INTERNATIONAL YEAR OF SUSTAINABLE ENERGY FOR ALL: PRESENCE AND IMPACT OF THE GROUP CONFORMED BY SOME ACADEMIC MEMBERS OF THE COMMISSION FOR CHEMISTRY OF THE AMCATH, RACAM, ReMAS, RACAL, AND RedICA IN THE ARE-AS OF TEACHING AND RESEARCH ON ENVIRONMENTAL CHEMIS-TRY AND ITS APPLICATIONS IN GREEN ENGINEERING FOR THE DE-VELOPMENT OF CLEANER TECHNOLOGIES

Durán – Domínguez et. al. /Revista

Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias,

3 (5):1- 23 (2012)

RLAC

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Los seres humanos hemos encontrado la forma de explotar a la Tierra y sus recursos en beneficio, teóri-

camente, de la sociedad. La vieja actitud era la de verter los residuos al ambiente. Si eran líquidos, a los

cuerpos de agua, si eran gaseosos al aire y si eran sólidos al suelo. Al aumentar la población sobre el pla-

neta en forma desmedida, esto conllevó a un deterioro ambiental sin precedentes. En los años 60 del

siglo XX se iniciaron los esfuerzos para revertir estos daños ecológicos (del griego οἰκο, casa y λογos,

estudio). En los años 90 del siglo XX se inició un cambio de paradigma en la química: La química ambien-

tal y su tecnología aplicativa, la ingeniería química ambiental o ingeniería química verde. Para poder

estudiar de manera más simple a nuestra Tierra, el Dr. Stanley Eugene Manahan, un pionero de la quími-

ca verde, definió su división en cinco compartimentos interactuando entre ellos, a los que se llamó esfe-

ras ambientales y entre las que ocurren de manera continua intercambios de materia y energía: Hidrosfe-

ra, atmosfera o atmósfera, geosfera, biosfera y antroposfera, esta última englobando las actividades

humanas y sus efectos sobre el entorno. Otro aspecto importante que el Dr. Manahan también menciona

es el debate actual sobre si hay cambio climático global o no provocado por las actividades humanas y

que se parece mucho al ocurrido hace 30 años con la reducción en la concentración de ozono de la capa

estratosférica que protege a nuestro planeta de la excesiva radiación ultravioleta del Sol: En 1974 se

descubrió que los clorofluorocarburos reaccionan en la estratosfera con el O3. Posteriormente, en 1985

se comprobó la reducción de concentración de ozono en la estratosfera (conocida como el “agujero” en

la capa de ozono porque al poner el color rojo donde la concentración era menor aparecía una mancha

roja sobre el polo sur). Actualmente, una vez firmados los protocolos respectivos, se prohibió la produc-

ción y comercialización de estos compuestos químicos reemplazándolos por otros que no provocaran

estos daños. Relacionada con la QUÍMICA y la INGENIERÍA QUÍMICA VERDES, el Dr. Manahan conceptua-

lizó la llamada ECOLOGÍA INDUSTRIAL, que se basa en considerar a los sistemas industriales de manera

similar a los ecosistemas naturales. Esto significa que los ECOSISTEMAS INDUSTRIALES realizan un meta-

bolismo industrial sobre los materiales y la energía. Cuando un ecosistema industrial opera de manera

LA QUÍMICA AMBIENTAL Y SUS APLICACIONES EN LA INGENIERÍA VERDE PARA EL DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS MÁS LIMPIAS

Autores

Resumen

María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa

Universidad Nacional Autónoma de México. Facul-tad de Química, Departamento de Ingeniería Quí-mica, Laboratorios 301, 302 y 303 del Conjunto E

(Ingeniería Química Ambiental y Química Ambien-tal). Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán,

04510 México D.F. Tels: +55-5622-5300,01 02, 04. Fax +55-56225303. Correo-e: mcduran@unam.mx

con / with Alberto F. Aguilera-Alvarado, Agustín Arreguín-

Rojas, Francisco Bautista-Zúñiga, Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda, Marisela Bernal-González, Rudolf

Braun, María Irene Cano-Rodríguez, Adela Castille-jos-Salazar, Alejandra Castro-González, Hugo Nor-

berto Ciceri Silvences, Marianela Cordovés-Herrera, Irma Delfín-Alcalá, Rosa María Domínguez

-Espinosa, Alfonso Durán-Moreno, Manuel Enrí-quez-Poy, Beatriz Espinosa-Aquino, Ronny Adrián Flores-Ortega, Rolando Salvador García-Gómez,

Juan Genescá-Llongueras, Humberto Gómez-Ruiz, María del Refugio González-Sandoval, Raimund

Haberl, Peter Kuschk, Liliana G.Lizárraga-Mendiola, José Luis López-Martínez, Stanley E. Manahan,

Pedro Medellín, Adalberto Noyola, Sayra Lissette Orozco-Cerros, Juan Daniel Pacho-Carrillo, Thanga-rasu Pandiyan Sarasvathi, Amalia Panizza-de-León,

Ruth Pedroza-Islas, Héctor Mario Poggi-Varaldo, Landy Irene Ramírez-Burgos, Miguel Ángel Ríos-

Enríquez, Irina Salgado-Bernal, Florentino Sánchez-Portilla, Salvador Alejandro Sánchez-Tovar, Julio

Alberto Solís-Fuentes, Luisa Tan-Molina, Luis Eduardo Zedillo-Ponce-de-León.

2

3

adecuada, la entrada de materias primas provenientes de recursos no renovables es muy bajo y el flujo de mate-

riales dentro del sistema es alto y cíclico. Los sistemas basados en la ECOLOGÍA INDUSTRIAL son similares a un

ecosistema artificial, con fuentes primarias de materias primas y energía y con un cierto número de empresas

(como los organismos de un ecosistema) que hacen uso de lo que para unas son sus residuos pero para las otras

son sus materias primas de tal manera que se minimiza el impacto ambiental y se optimiza el uso de los recursos,

la energía y el capital mejorando las ganancias para las empresas y, naturalmente, para el ambiente y la sociedad

humana. La ingeniería verde es el factor que hace posible la operación de estos ecosistemas industriales. El ejem-

plo que se presenta es el del METANO: El metano produce la mitad del CO2 por unidad de energía del que produ-

ce el carbón. Es, por tanto, un combustible un poco más limpio. Las fuentes o materias primas para producir me-

tano empleando ya sea sistemas químicos o sistemas bioquímicos son recursos abundantes en la naturaleza y

podemos producirlo directamente y no solamente obtenerlo como recurso fósil (generalmente asociado al petró-

leo). Su producción puede ser incluso a partir de los combustibles fósiles problemáticos como los aceites pesados

o combustóleos como se les conoce en México con el proceso conocido en la ingeniería verde como GASIFICA-

CIÓN, del que una de las primeras patentes es también justamente del Dr. Manahan. Por métodos bioquímicos, el

metano puede producirse de una planta traída por Colón a América: La caña de azúcar. Las actividades involucra-

das para el aprovechamiento integral de la caña de azúcar soportado en tecnologías más limpias o ingeniería ver-

de han sido adoptadas dentro de las políticas ambientales de la agroindustria azucarera de varios países como

una de las vías más rápidas y económicas para mejorar el ambiente y las condiciones de vida de los habitantes de

esas zonas eminentemente rurales. El uso de sistemas novedosos basados en la ingeniería verde no son nuevos

pero no han sido implementados en México, por lo que es muy importante formar estudiantes que sean después

profesionales comprometidos con el bienestar de sus conciudadanos y, en general, de todo el entorno y que

deseen incursionar en la producción y utilización de procesos que permitan obtener productos con mayor valor

agregado. En las últimas décadas la atención al medio ambiente se ha caracterizado por ser una de las prioridades

para las naciones y la humanidad, confiriéndosele a este campo importantes recursos humanos y materiales. Por

ello, la formación de ingenieros químicos creativos debe ser una prioridad. Si estos ingenieros químicos valorizan

3

Ingenio Azucarero

4

ecological disaster (from Greek οἰκο, home, and λογos, study). During the 90s of the XX century

a new paradigm was settled for Chemistry: Environmental chemistry or green chemistry and its

applicative technology, environmental chemical engineering or green chemical engineering. In

order to study in a simpler way our Earth, Dr. Stanley Eugene Manahan, a pioneer of green chem-

istry, defined its division into five compartments interacting among them, that were named envi-

ronmental spheres. Between them, in a continuous manner, mass and energy interchange: Hy-

drosphere, atmosphere, geosphere, biosphere, and anthroposphere, being the last one where

the human activities and its effects on the environment are comprised. Another important aspect

that Dr. Manahan also mentions is the present debate concerning if truly there is a global climate

change or not provoked by the human activities. This situation is similar to the one 30 years ago

concerning the reduction on the ozone concentration in the stratosphere that protects our plan-

et low atmosphere from the excessive ultraviolet radiation: In 1974 it was discovered that chlor-

ofluorocarbons react in the stratosphere with O3. Later on, in 1985 this ozone concentration

reduction in the stratosphere was assessed (commonly known as the ozone layer hole because

when the red color was given to low ozone concentrations a red area appeared on the south

pole). Presently, these chemical compounds are not produced or commercialized and have been

substituted by others that are less damaging. Related with the GREEN CHEMISTRY AND THE

GREEN CHEMICAL ENGINEERING, Dr. Manahan conceptualized the socalled INDUSTRIAL ECOLO-

GY, based on the consideration of the industrial systems in a similar way as the natural ecosys-

tems. This means that the INDUSTRIAL ECOSYSTEMS carry out an industrial metabolism on the

materials and the energy. When an industrial ecosystem operates in a suitable manner, entrance

of raw materials from non renewable resources is very low and the flow of materials within the

system is high and cyclic. INDUSTRIAL ECOLOGY applied to an industrial system is similar to an

Palabras clave: Ingeniería verde, tecnologías más limpias, caña de azúcar, metano, vinazas

de la SUCROQUÍMICA. Solamente se debe recordar que la producción en campo va

desde 80 hasta 180 toneladas por hectárea, dependiendo de la zona. En este trabajo

se presenta el ejemplo de un proyecto integral que emplea las vinazas de caña para

producir metano.

Human beings have found the way to exploit Earth to benefit from its resources, theoretically for

all humankind. The old attitude was to throw away residues to the environment. If they were

liquid they were sent to water bodies, if they were gaseous were sent to the atmosphere, and if

they were solid they were disposed on or under the soil. This attitude has created considerable

damages to the environment. During the 60s in the XX century efforts started to revert these

los productos naturales renovables sobre

los fósiles (actualmente no renovables)

estarán creando un patrimonio para las

generaciones futuras. En nuestro mundo

actual y en el futuro, con mayor intensi-

dad, ningún producto deberá venderse

en el mercado sin tomarse en cuenta sus

impactos en el ambiente (de la cuna a la

tumba o incluso a la reencarnación en

forma de otro producto útil) y, para la

caña de azúcar, pueden obtenerse a

través de procesos novedosos, tanto en

las etapas agrícolas como las industria-

les, en los que el uso de reactivos quími-

cos y los daños al medio ambiente local y

global puedan ser eliminados o reduci-

dos a un mínimo. De las mieles pueden

producirse infinidad de productos bio-

tecnológicos con la ingeniería verde. De

las levaduras pueden producirse alimen-

tos no convencionales para animales. De

la producción de bioetanol puede apro-

vecharse el líquido de fondos de las co-

lumnas de destilación (vinazas) para

producir metano. Por tanto, de la caña

de azúcar que se produce entre los trópi-

cos de Cáncer y Capricornio se pueden

obtener una gama de productos a través

4

Abstract

5

Key Words: Green engineering, cleaner technologies, sugar cane, methane, vinasses

artificial ecosystem, with primary sources of

raw materials and energy and with a certain

amount of enterprises (as the organisms of an

ecosystem) that use up the residues of anoth-

er one as raw materials in such a way that the

environmental impact is minimized and the

use of resources, energy, and capital costs are

optimized increasing revenues for the enter-

prises and, naturally, for the environment and

the human society. Green engineering is the

factor that makes possible the operation of

these industrial ecosystems. The example

presented here is about METHANE: Methane

produces one half of the CO2 per unit of ener-

gy when compared with coal. It is, therefore,

a cleaner fuel. The sources or raw materials to

produce methane employing either chemical

or biochemical systems are abundant in na-

ture and then it can be directly produced and

not necessarily obtained as fossil fuel

(generally associated to oil). Its production

may be done even with undesirable fossil

fuels, such as the heavy oil fractions or com-

bustoleum, as they are identified in Mexico,

using the process known in green engineering

as GASIFICATION, from which one of the first

patents belonged also to Dr. Manahan. Using

biochemical methods, methane may be pro-

duced from a plant brought to America by

Columbus: Sugar cane. The activities involved

to make a full use of this plant are supported

in cleaner technologies or green engineering

and they have been adopted within the envi-

ronmental policies of the sugar cane agroin-

dustry in several countries as one of the

quickest and economical ways to improve the

environment as well as the living conditions of

the inhabitants of these eminently rural areas.

The use of these techniques based on green

engineering are not new but have not yet

been fully implemented in Mexico, and for

that reason it is very important to form stu-

dents that become professionals with a com-

promise with the well being of the human

society and, in general, with the environment.

They will be dealing with the design and utili-

zation of processes that may render products

with a higher economical value. In the last

decades the attention to the environment has

become a priority for the nations and human-

kind, giving to its protection important re-

sources both human and material. Therefore,

the formation of creative chemical engineers

must be a priority. If these chemical engineers

value natural renewable products over fósil

products (presently considered as non renew-

able) they will be creating a patrimony for the

future generations. In our present world and

in the future one, with a higher intensity, no

product should be sold in the market without

considering its environmental impacts (from

the crib to the tumb or even to its reincarna-

tion in the form of another useful product)

and, for sugar cane, through innovative pro-

cesses, both for the agricultural and industrial

stages,where chemical reagents use may be

minimized reducing environmental local dam-

ages, and even global ones. From molasses an

infinite myriad of biotechnological products

may come out using green engineering. From

5

spent yeast non conventional feeds may be produced. From bioethanol production, the bottoms of

the distillation columns (vinasses) may be used to produce methane. Thus, from sugar cane being

harvested in the area comprised between the Cancer and Capricorn tropics many products can be

obtained using SUCROCHEMISTRY. It should be emphasized that field yields go from 80 till 180 tons

per hectare, depending upon the zone. In this paper, the example of a project to use vinasses for

methane production is presented.

A MANERA DE INTRODUCCIÓN Ahora en el 2012, Año Internacional de la Energía Sustentable para Todos

(Figura 1), el grupo conformado por algunos académicos de la Comisión de Quí-mica de la Academia Mexicana de Ciencias, Artes, Tecnología y Humanidades, AMCATH, de la Red para Análisis de la Calidad Ambiental en México, RACAM, de la Red de Medio Ambiente y Sustentabilidad, ReMAS, de la Red para Análisis de la Calidad Ambiental de América Latina, RACAL, y de la Red Internacional de Cien-cias Ambientales, Red ICA en las áreas de docencia e investigación sobre la quími-ca ambiental y sus aplicaciones en la ingeniería verde, han realizado varias reuniones y participado en congresos y eventos con objeto de socializar su inte-

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La vieja actitud: “Una definición sensata, según Haynes (1954), de un subproducto de un proceso para el que no hay un beneficio económico es la de RESIDUO y la forma mejor de deshacerse de él es tirarlo al ambiente (Figura 2a)

El reconocimiento de los problemas ambientales vino po-co después de esta desafortunada definición de residuos y ya en los años 1960 del siglo XX se iniciaron los esfuer-zos para conservar y mejorar la calidad del ambiente. El énfasis se dió en el llamado en inglés “Command and control”, un acercamiento que involucra leyes y regulacio-nes con penas por contaminar. También se dirigió hacia lo que se llamaba en inglés medidas al final del tubo (“end-of-pipe”) en las que aunque los contaminantes se se-guían produciendo, se “capturaban” o se descomponían a sustancias más inocuas antes de ser liberados. Puede decirse que stas medidas han sido más o menos exitosas (Figura 2b)

Figura 1. Logotipo de las Naciones

Unidas para este año 2012

A continuación se da uno de los tan-tos ejemplos tomados este año, en este caso, en dos eventos realizados en agosto y septiembre de 2012, que esperamos sea de interés para los tomadores de decisión con obje-to de que realmente tomen las me-didas necesarias para lograr su apli-cación para el beneficio de las comu-nidades más desfavorecidas, que es la comunidad rural, tanto en México como en otros países del orbe.

PROBLEMÁTICA Los seres humanos hemos encontrado la forma de explotar a la Tierra y sus recursos en beneficio, teóricamente, de la sociedad. Muchas personas tienen ahora una mejor calidad de vida gracias a esa explotación, aunque la gran mayoría se encuentran toda-vía en el umbral de pobreza extrema. Como resultado de esa explotación se tienen mu-chos problemas: Agua contaminada, aire insalubre para respirar y para las especies vegetales, substancias tóxicas y persistentes enterradas bajo el suelo, recursos no renova-bles agotados y, en general, actitudes y prác-ticas poco o nada sustentables.El Dr. Stanley Eugene Manahan, profesor emérito de la Universidad de Missouri, quien durante más de diez años impartió anualmente el curso de “Introducción a la química ambiental” en el Programa de Maestría y Doctorado en Cien-cias Químicas de la Universidad Nacional Autónoma de México (1997-2007), UNAM, y que ahora se realiza en su honor al menos una vez cada año, señala en su libro, traduci-do al español y coeditado por la UNAM y Editorial Reverté, de Barcelona, España, lo siguiente:

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A futuro: Las metas deben ser ahora las de cerrar los ciclos (como ocurre en la naturaleza) evitando la descar-ga de contaminantes y aplicando los principios de la quí-mica verde y la ingeniería verde hacia la ecología in-dustrial (Figura 2c) Figuras 2a. La vieja actitud, 2b.

Lo que ocurre actualmente, 2c.

La meta en el futuro cercano

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A very important discipline for chemists in the achievement of sustainability is environmental chem-istry which is that branch of chemistry involving the origins, transport, reactions, and effects of chemical species in the environment as influenced by human interactions. The definition of environmental chemis-try is illustrated on Figure 3 showing a typical pollu-tant, sulfur dioxide from the combustion of sulfur–containing coal getting into the atmosphere, reacting by atmospheric chemical processes to sulfuric acid, falling as acid rain, which might affect receptors such as plants, and ending up in a sink, such as a body of water.

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Figura 3. Ilustración clásica del Dr. S.E. Manahan para ejemplificar la necesidad de un cambio de paradigma en la química como disciplina

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los problemas ambientales actuales provienen de la aplicación in-correcta de las ciencias químicas y de la ingeniería química, como la generación de sustancias tóxicas y persistentes que no se degra-dan. Los más tristemente célebres casos son: Plaguicidas que envenenan la vida silvestre •Plomo dispersado hasta hace muy poco proveniente de las gasolinas con tetraetilo de plomo •Fosfatos de los detergentes y fertilizantes usados en exceso que han causado eutrofización en los cuerpos de agua a don-de se arrastrados por las escorrentías •Producción de clorofluorocarburos que están dañando la capa estratosférica de la atmósfera que es la que protege a la Tierra de la radiación ultravioleta del Sol

En los años 90 del siglo XX se inició un cambio de paradigma en la química: La química ambiental o química verde y su tecnología aplicativa, la ingeniería química ambiental o ingeniería química verde. Para poder estudiar de manera más sim-ple a nuestra Tierra, el Dr. Manahan, un pionero de la química verde, definió su división en cinco compartimentos interac-tuando entre ellos, a los que se llamó esferas ambientales y entre las que ocu-rren de manera continua intercambios de materia y energía: Hidrosfera, atmosfera o atmósfera, geosfera, biosfera y antropos-fera, esta última englobando las activida-des humanas y sus efectos sobre el en-torno. Una aplicación de estas cinco esfe-ras se encuentra en su “trébol” de cinco hojas (Figura 4).

Un ejemplo de la quími-ca verde es el estudio de las bases científicas para la reducción de los efectos de las activida-des humanas y que una vez establecidas deben ser aplicadas por la ingeniería química ver-de o ingeniería verde. Un ejemplo de lo que ocurría frecuentemente en el pasado y que to-davía no se erradica completamente es lo siguiente: Muchos de

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Figura 4. Esferas ambientales entre las que ocurren de manera continua intercambios de materia y energí a: Hidrosfera (agua), atmosfera o atmo sfera (aire), geosfera (tierra), biosfera (vida) y antroposfera (tecnologí a).

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En 1974 se descubrió que los clorofluorocarburos reaccionan en la estratos-fera con el O3.

La química ambiental hace algo más que encontrar problemas ambientales: Debe anticiparlos y buscar nuevas soluciones para que los ingenie-ros puedan aplicarlas a escala industrial mejorando la calidad de vida de la socie-dad. Por ello: Debe ser parte de la educa-ción de todos los

profesionistas, no solamente de los químicos y de los ingenieros químicos (abogados, médicos, etc.). Debe ser muy importante para to-dos los educadores, desde el jardín de niños, pasando por la enseñanza prima-ria, secundaria y pre-paratoria, hasta los estudios profesiona-les y de posgrado

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Otro aspecto importante que el Dr. Manahan también menciona es el debate actual sobre si hay cambio climático global o no provocado por las actividades humanas (Figuras 5a,b) y que se parece mucho al ocurrido hace 30 años con la reducción en la concentración de ozono de la capa estratosférica que pro-tege a nuestro planeta de la excesiva radiación ultravioleta del Sol: En 1974 se descubrió que los clorofluorocarburos reaccionan en la estratosfera con el O3. Posteriormente, en 1985 se comprobó la reducción de concentración de ozono en la estratosfera (conocida como el “agujero” en la capa de ozono porque al poner el color rojo donde la concentración era menor aparecía una mancha roja sobre el polo sur). Actualmente, una vez firmados los protocolos respectivos, se prohibió la producción y comercialización de estos compues-tos químicos reemplazándolos por otros que no provocaran estos daños.

Figura 5a. Preocupación

por el cambio climático

global

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10

Figura 5b. Balance energético entre la Tierra y su atmósfera con el Sol como fuente de energía

La Figura 5b presenta de manera simplificada el rol de la atmósfera para mantener la temperatura promedio de la Tierra. La energía solar entra a la atmósfera en su mayor parte como radiación visible y la que sale de ella es radiación infrarroja. A pesar de que toda la radiación que sale de la Tierra es eventualmente emitida al espacio, parte de ella es reabsorbida por las moléculas de agua en fase vapor y aero-sol, el dióxido de carbono y otros gases en su camino hacia afuera. Esto causa el llamado efecto invernadero. En principio este efecto es bueno ya que hace que la temperatura de la Tierra permita la vida. Sin embargo, la preocupación es que ahora que se emiten por las actividades humanas cantidades mucho mayores de dióxido de carbono y otros gases (metano, entre ellos.) la atmósfera se está calentando y creando problemas climáticos (huracanes, ciclones, tifones, etc., con los daños con-comitantes) mientras que en otras partes aumenta la sequía (Figura 5a). Relacionada con la QUÍMICA y la INGENIERÍA QUÍMICA VERDES, el Dr. Manahan conceptualizó la llamada ECOLOGÍA INDUSTRIAL, como bien lo planteó él en la Figu-ra 2c. Este concepto se basa en considerar a los sistemas industriales de manera similar a los ecosistemas naturales. Esto significa que los ECOSISTEMAS INDUSTRIA-LES realizan un metabolismo industrial sobre los materiales y la energía. Cuando un ecosistema industrial opera de manera adecuada, la entrada de materias primas provenientes de recursos no renovables es muy bajo y el flujo de materiales dentro del sistema es alto y cíclico.

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Los sistemas basados en la ECOLOGÍA INDUS-TRIAL son similares a un ecosistema artificial, con fuentes primarias de materias primas y ener-gía y con un cierto nú-mero de empresas (como los organismos de un ecosistema) que ha-cen uso de lo que para unas son sus residuos pero para las otras son sus materias primas de tal manera que se mini-miza el impacto ambien-

tal y se optimiza el uso de los recursos, la ener-gía y el capital mejoran-do las ganancias para las empresas y, naturalmen-te, para el ambiente y la sociedad humana. La ingeniería verde es el factor que hace posible la operación de estos ecosistemas industriales (Figura 6).

11

Figura 6. El cambio

climático requiere de

un manejo adecuado

de las actividades hu-

manas (antropósfera)

para alcanzar la susten-

tabilidad o sostenibili-

dad y para ello deben

implementarse la eco-

logía industrial y con

ella los ecosistemas

industriales

El ecosistema industrial más citado es el de Kalundborg, en Dinamarca. Este sistema, desarrollado espontáneamente, inicia con intercambios de materiales y energía entre una planta generadora de energía eléctrica y una refinería pe-trolera. Las otras partes del sistema fueron emergiendo como se muestra en la Figura 7. Por ejemplo, el azufre recuperado del proceso de “endulzamiento” del petróleo se usó para producir ácido sulfúrico. El “calor de baja presión” de la planta eléctrica y la refinería que en otras instalaciones se envía a la atmós-fera como energía residual se usa para la calefacción de las casas, para mante-ner temperaturas adecuadas en los invernaderos y para mantener una tempe-ratura adecuada del agua en la granja acuícola. Están también el aprovecha-miento de las cenizas volantes para el concreto de las calles y la producción de tableros aglomerados de yeso y otros materiales residuales para paredes y recubrimientos aislantes.

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Figura 7. Ejemplo de un

ecosistema industrial en

Kalundborg, Dinamarca

La solución del metano

El metano produce la mitad del CO2 por unidad de ener-gía del que produce el carbón. Es, por tanto, un combus-tible un poco más limpio. Es un recurso abundante en la naturaleza y puede producirse directamente y no sola-mente como recurso fósil (generalmente asociado al pe-tróleo). Su producción puede ser incluso a partir de los combustibles fósiles con poco valor comercial como el llamado combustóleo en México (aceite pesado) con el proceso conocido en la ingeniería verde como GASIFICA-

Otro ejemplo de las aplicaciones de la química verde y la sustentabilidad es la producción foto-sintética de biomasa seguida de su procesamien-to en una biorrefinería para obtener combustibles y materias primas renovables que sustituyan a las del petróleo. Como puede verse en la Figura 8, hay varias rutas para utilizar la biomasa desde una simple extracción de materiales, tales como ácidos grasos hasta el procesamiento termoquí-mico que permita producir hidrocarburos como el metano y otros materiales y combustibles.

12

13

Tomando la Figura 8 como base, a continuación se presenta la propuesta de solución aplicable a los países ubicados entre los Trópicos de Cáncer y de Capricornio, que reciben la energía solar en abundancia usando un pasto gigante, una planta maravillosa, la caña de azúcar (Saccharum officinarum) que, no solamente usa el CO2 generado durante la combustión de sus pro-pios productos sino que, además, transforma la energía solar en biomasa vegetal y azúcar, además de producir oxígeno para los seres aerobios como los humanos durante esa fotosíntesis.

PROPUESTA DE SOLUCIÓN

La caña de azúcar (Saccharum officinarum) es, como se dijo arriba, una PLANTA MARAVILLOSA que logra el aprovecha-miento de la LUZ SOLAR y la asimilación del CO2 para aumen-tar su biomasa. La Dra. Marianela Cordovés-Herrera (2008), del Instituto Cubano de Investigaciones de Investigaciones

sobre Derivados de la Caña de Azúcar, ICIDCA, de Cuba, una pionera en el campo de las aplicaciones de la SUCROQUÍMICA para encontrarle usos a las diferentes partes de la caña, amablemente ha com-partido con México sus conocimientos y todo lo que a continuación se presenta ha sido tomado de sus

CIÓN. De hecho, el Dr. Manahan tiene una de las primeras patentes sobre este proceso (Manahan, 1990, 1992), así como sus primeras

aplicaciones (Bapat y col., 1999; Manahan y col., 2000; McAuley y col., 2001; Medcalf y col., 1997, 1998).

13

Figura 8. Otro ejemplo

de las aplicaciones de

la química verde: Pro-

ducción fotosintética

de biomasa y su proce-

samiento en una bio-

rrefinería para obtener

materias primas reno-

vables reduciendo las

emisiones de dióxido

de carbono

14

. .

El jugo de su tronco es la principal fuente de energía para los seres huma-

nos, el azúcar o sacarosa. De hecho, el cerebro humano usa la glucosa del

azúcar como fuente de energía. Después de cosechar la caña, pasa bajo

unas cuchillas desmenuzadoras, para luego ser llevada al llamado ingenio

azucarero en México. Este jugo es depurado por una serie de filtros y, a

continuación, se somete a un tratamiento clarificante y de ahí se coloca en

evaporadores al vacío, donde se concentra la sacarosa; por último, se cris-

taliza el azúcar del jugo. Una vez cristalizado el azúcar, se extrae el agua

restante quedando así el azúcar blanco común que se conoce habitualmen-

te (Figura 10). Diferentes microorganismos asociados a sus raíces pueden

fijar el nitrógeno atmosférico, lo que permite su cultivo en muchas zonas

sin aporte de abonos nitrogenados.

La caña de azúcar llegó a México con Hernán Cortés, quien la trajo de las islas caribeñas a donde la había llevado Cristóbal Colón en sus diferentes viajes. Su cultivo se desarrolló ampliamente en Cuba, Brasil, México, Perú, Ecuador, Co-lombia y Venezuela, que se encuentran entre los mayores productores de azú-car del mundo, aunque es un cultivo importante en el resto de los países del Caribe, Centro y Sudamérica. También se cultiva naturalmente en su lugar de origen, Asia, así como en Australia y Nueva Zelanda y en muchas partes de Áfri-ca. Su rendimiento agronómico va desde 80 hasta 180 toneladas por hectárea.

14

diferentes conferencias sustentadas a lo largo de más de 20 años. La Figura 9, por ejemplo, fue presentada por ella en un evento internacional en 2009 (Cordovés-Herrera, 2009).

Figura 9. Caña de azúcar, una planta maravillosa (tomada de Cordovés-

Herrera, 2009)

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Como este proceso tiene un uso intensivo de agua desde que se inició la in-dustrialización de la caña (pensando que en el siglo XVI en México ésta era una buena fuerza motriz), es importante cuidar este insumo. Se han hecho, desde los años 80 del siglo XX, estudios por parte de este grupo de investiga-ción sobre el uso eficiente del agua y la energía, no solamente para la pro-ducción tradicional del azúcar, sino también para la producción de alcohol de caña o alcohol etílico a partir de sus melazas o mieles incristalizables, así co-mo para su aprovechamiento integral (Bautista-Zúñiga y Durán-de-Bazúa, 1998; Bautista-Zúñiga y col., 2000a,b,c; Castro-González y col., 1998a,b; Chaux y col., 1997; Durán y col., 1994a,b; Durán-de-Bazúa, 1994, 1998, 2011; Durán-de-Bazúa y col., 1988, 1991, 1994; Durán-de-Bazúa y Poggi-Varaldo, 1987; Klomp y col., 1995; Poggi-Varaldo y Durán-de-Bazúa, 1986; Ramírez-Burgos y col., 2000a,b). Como ejemplos de esto destacan:

Aprovechamiento del bagazo no solamente para producir vapor de alta presión para la generación de energía eléctrica por los métodos conven-cionales sino empleando la gasificación (Figura 11) como un proceso que, además, produce carbón que puede activarse para aprovecharse en

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Figura 10. Proceso para la obtención de azúcar (Jiménez-Castro, 2011)

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Bagazo de caña El proceso de gasificación del bagazo de la caña de azúcar, por ejemplo, puede ser un paradigma para otras agroindustrias, como la arrocera, para que en vez de quemar el bagazo y la cáscara del arroz puedan gasificarlos y producir energía más limpia a partir del gas de síntesis (hidrógeno). La Figura 12 presenta el principio de la gasificación.

la clarificación de los jugos de caña (Ayala-Tirado y col., 2012; Domínguez-Barradas y col., 2012; Durán-Olvera y col., 2012; Morales-Téllez y col., 2012; Solís-Fuentes, 2012; Solís-Fuentes y col., 2012).

• Aprovechamiento de las mieles incristalizables para producir etanol (ahora conocido como bioetanol) y de las vinazas de las torres de destilación produ-cir anaerobiamente biogás rico en metano como fuente secundaria de ener-gía, biomasa rica en proteína para peces y aguas tratadas con altos contenidos de humus para mejorar los suelos agrícolas

Esto da a las regiones productoras de caña de azúcar opciones para abrir empre-sas que promuevan el empleo local, mejorando las condiciones de vida de las poblaciones rurales y reduciendo su migración a las grandes ciudades o a otros

Figura 11. A biofuel

gasification and electrical

generating system based

upon sugar cane bagasse.

Source: “Gasification

Technology for Clean, Cost-

Effective Biomass Electricity

Generation,” U.S. Dept. of

Energy, 2000, http://

www.eren.doe.gov/

biopower/bplib/ library/

li_gasification.htm / Sistema

de gasificación de

biocombustible para la

generación de energía

eléctrica basado en bagazo

de caña de azúcar. Fuente:

“Gasification Technology for

Clean, Cost-Effective Biomass

Electricity Generation,” U.S.

Dept. of Energy, 2000,

http://www.eren.doe.gov/

biopower/bplib/ library/

li_gasification.htm / (Tomada

de Manahan y col., 2007)

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Además, el carbón activado que se obtiene de la gasificación puede usarse para clarificar los jugos de caña, ya que comparado con el carbón activado hecho con otros residuos agroindustriales como la cáscara de naranja y la cascarilla de café, el carbón activado de bagazo de caña remueve el 98% del color del jugo de caña recién exprimido, conocido como guarapo, y el 77% en el jugo de caña claro (Solís-Fuentes y col., 2012). Etanol, vinazas, metano y biomasa Respecto de la producción de etanol a partir de las melazas o mieles incristalizables de la caña de azúcar, el proceso tiene como primer subproducto las propias levaduras que pueden usarse junto con la biomasa que se obtiene para alimento de peces, como segundo subproducto el metano a partir de las vinazas de la primera torre de destilación del etanol y como tercer subproducto las vinazas tratadas como mejoradores de suelos pobres (Bautista-Zúñiga y col., 2000) (Figura 13).

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Figura 12. Proceso Chem Char,

patentado por el Dr. S.E. Manahan

en 1990 y 1992 en aplicación

(Tomada de Manahan y col., 2007)

Figure 1. ChemChar continuous feed cocurrent flow gasifier .

Figure 1A (left). Conventional operation in whichthe incandescent thermal zone (ITZ) is maintainedonly partially covered by the biofuel on top of acolumn of char product. A spreader (end view) isused to maintain a uniform ITZ surface and operationentails maintaining appropriate flow rates of biofuel,oxygen, and char outlet from the gasifier chamber.

Figure 1B (right). Pilot flames fueled bycombustible gas maintain the surface of theITZ on top of the surface of the biofuel feedso that fuel starts to gasify as soon as it isintroduced into the gasification chamber andis extinguished when it becomes covered witha fresh layer of biofuel.

ITZ

Synthesisgas

O xygen

Granular Biofuel

Char product

Rotor

Spreader consisting ofrotating rods

Char outlet

Combustible gasinlet to pilotflames

Pilot flame thatmaintains ITZ ontop of biofuel feed

Guarapo: Voz quechua. Jugo de la caña dulce ex-primida, que por vapori-zación produce el azúcar. El quechua es una familia de lenguas originaria de los Andes centrales que se extiende por la parte occidental de Sudamérica a través de siete países y es hablada por entre 8 y 10 millones de personas y es la familia lingüística más extendida en Bolivia, Perú y Ecuador después de la indoeuropea (Adelaar y Muysken, 2004)

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. .

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Los otros productos como se dijo antes son, además del propio alcohol de caña, las vi-nazas de las que se aprovechó su material carbonoso para producir metano y biomasa de tipo aerobio y que una vez estabilizadas pueden usarse para mejorar la calidad de los suelos (Bautista-Zúñiga y col., 2000a,b,c). El metano puede lavarse con las vinazas trata-das para eliminarle el H2S, que es muy soluble en agua y que es una fuente de azufre para los suelos y usarse para la producción de energía (Castro-González y col., 2004; Castro-González y Durán-de-Bazúa, 2002). La biomasa, tanto de la levadura muerta co-mo del reactor aerobio de biodiscos puede usarse para preparar dietas para peces (Durán-Domínguez y col., 1991).

Figura 13. Diagrama simplificado de la pro-ducción de etanol a partir de melazas de caña y aprovechamien-to de las vinazas de la primera torre de desti-lación para la produc-ción de biogás rico en metano y biomasa rica en proteína para dietas de peces

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A MANERA DE CONCLUSIONES

Para obtener todo esto es necesario:

(1) Demostrar la bondad de ambos sistemas en un ingenio azucarero real (obtención de biogás rico en metano en ingenios azuca-reros-alcoholeros y de la gasificación del bagazo en cualquier ingenio azucarero)

(2) Entrenar a estudiantes de ingeniería quí-mica verde en esta nueva visión de los procesos tradicionales con el aspecto clave de la sustentabilidad y las tecnologías más limpias

Las actividades involucradas para el aprovecha-miento integral de la caña de azúcar soporta-das en tecnologías más limpias han sido adop-tadas dentro de las políticas ambientales de la agroindustria azucarera de varios países como una de las vías más rápidas y económicas para mejorar el ambiente y las condiciones de vida de los habitantes de esas zonas eminentemen-te rurales.

El uso de sistemas novedosos basados en la ingeniería verde no son nuevos pero no han sido implementados en México por lo que es muy importante formar estudiantes que deseen incursionar en la producción y utiliza-ción de procesos que permitan obtener pro-ductos con mayor valor agregado En las últimas décadas la atención al medio ambiente se ha caracterizado por ser una de las prioridades para las naciones y la humani-dad, confiriéndosele a este campo importantes recursos humanos y materiales, por ello, la formación de ingenieros químicos creativos debe ser una prioridad.

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Si estos ingenieros químicos valorizan los productos naturales renovables sobre los fósiles (actualmente no renovables) estarán creando un patrimonio para las generaciones futuras. En nuestro mundo actual y en el futuro, con mayor intensidad, ningún producto deberá venderse en el mercado sin tomarse en cuenta sus impactos en el ambiente (de la cuna a la tumba o in-cluso hasta su reencarnación en otro nuevo producto útil) y, para la caña de azúcar, pueden obtenerse a través de procesos nove-dosos, tanto en las etapas agrícolas como las industriales, en los que el uso de reactivos químicos y los daños al medio ambiente local y global puedan ser eliminados o reducidos a un mínimo. De las mieles de caña de azúcar pueden producirse infinidad de productos biotecnológicos con la inge-niería verde. De la producción de bioetanol puede aprovecharse el líquido de fondos de las columnas de destilación (vinazas) para producir metano. De las levaduras y otra biomasa pueden producirse alimentos no convencionales para animales. Por tanto, de la caña de azúcar que se produce entre los trópicos de Cáncer y Capricornio en nuestro planeta Tierra, se pueden obtener una gama de productos a través de la SUCROQUÍMICA. Solamente se debe recordar que la producción en campo va desde 80 hasta 180 toneladas por hectárea, dependiendo de la zona, el suelo y el clima. No hay otra planta terrestre que dé este rendimiento agro-nómico aprovechando la luz del sol y el CO2 presente en la atmósfera.

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RECONOCIMIENTOS Con especial agradecimiento al Ing. Manuel Enríquez Poy, un profesionista visionario de la industria azucarera con quien hemos trabajado desde 1986 hasta la fecha, a la Dra. Marianela Cordovés-Herrera del ICIDCA con quien hemos colaborado desde 1988 hasta la fecha y al Dr. Stanley E. Ma-nahan con quien hemos colaborado desde 1997 hasta la fecha.

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