UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS POTENCIAL DEL CULTIVO DE LA CHUMBERA (Opuntia ficus-indica (L.)Miller) PARA LA OBTENCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES TESIS DOCTORAL FRANCISCO SÁNCHEZ GODOY Ingeniero Agrónomo 2012 DEPARTAMENTO DE PRODUCCIÓN VEGETAL: BOTÁNICA Y PROTECCIÓN VEGETAL ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS POTENCIAL DEL CULTIVO DE LA CHUMBERA (Opuntia ficus-indica (L.) Miller) PARA LA OBTENCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES TESIS DOCTORAL FRANCISCO SÁNCHEZ GODOY Ingeniero Agrónomo Directores de Tesis: JESÚS FERNÁNDEZ GONZÁLEZ Dr. Ingeniero Agrónomo M. DOLORES CURT FERNÁNDEZ DE LA MORA Dr. Ingeniero Agrónomo (D-15) Tribunal nombrado por el Magfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día de de 200 Presidente:__________________________________________________________________ Secretario: __________________________________________________________________ Vocal: _____________________________________________________________________ Vocal: _____________________________________________________________________ Vocal: _____________________________________________________________________ Suplente: ___________________________________________________________________ Suplente: ___________________________________________________________________ Realizado el acto de defensa y lectura de Tesis el día de de 201 En la E.T.S.I. / Facultad EL PRESIDENTE EL SECRETARIO Fdo.: Fdo.: LOS VOCALES Fdo.: Fdo.: Fdo.: Agradecimientos Desde estas líneas quiero expresar mi más sincero agradecimiento a todas aquellas personas que han hecho que este trabajo sea posible. A mis directores de Tesis, M. Dolores Curt y Jesús Fernández, por otorgarme la oportunidad de dedicarme a una actividad profesional con la que realmente disfruto. A José María Agüera, Mercedes Uceda, y Guillermo Zaragoza, de la Fundación Cajamar por impulsar el proyecto “Estudio del cultivo de chumbera (Opuntia ficus‐indica (L.) Miller) y tabaco arbóreo (Nicotiana glauca Graham) para la producción de bioetanol”, y por su amabilidad frente a mis continuas peticiones de datos. A todos mis compañeros del Grupo de Agroenergética: A Mercedes y a Javi, que descubrieron lo espinoso que puede llegar a ser el tema que nos ocupa. A Albert, Gema, y María B., por su ayuda en el laboratorio. A Fernando, por ayudarme a llegar hasta este momento sin haber sufrido electrocuciones (apenas). A Marta, por sus inestimables aportaciones gráficas. A Mercedes S. por escucharme A María H. por preocuparse por mi futuro. A Blanca, Borja, Fer, Irene, Maribel, Marina, Pedro, y Pili, por su interés y por su apoyo (y por los datos Fer, también por los datos). A los que no se han encontrado a si mismos en las líneas anteriores (me temo que alguno habrá). Junto con mis sinceras disculpas. A mis amigos, por interesarse, por apoyarme, y por dejar de preguntar cuando llegó el preciso momento de dejarlo. Gracias especialmente a Txus, que ya ve chumberas donde quiera que vaya. A mis padres, por su cariño y apoyo. Sin ellos habría sido del todo imposible llevar a cabo esta tarea. A mis abuelas, que para mi representan el vivo ejemplo del valor del esfuerzo. Por su cariño incondicional. A Cris, por ayudarme en lo más duro del duro invierno. A Carolina, porque, sin su ánimo, nada de esto habría siquiera comenzado. A mis abuelos, que me enseñaron a amar el campo. In memoriam. ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................................. I ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................... V ABREVIATURAS EMPLEADAS .................................................................................................... VIII RESUMEN ............................................................................................................................................. IX ABSTRACT ............................................................................................................................................. X 0. OBJETO E INTERÉS DEL TEMA ................................................................................................... 1 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 2 1.1. El bioetanol como biocarburante ............................................................................................................... 3 1.1.1. Definición. Biocarburantes basados en el bioetanol ........................................................................ 3 1.1.2. Materias primas empleadas en la producción de bioetanol ............................................................ 3 1.1.3. Producción de bioetanol por vía bioquímica ................................................................................... 4 1.1.3.1. La fermentación alcohólica ........................................................................................................ 4 1.1.3.1.1. Microorganismos productores de etanol .......................................................................... 5 1.1.3.1.2. Condiciones ambientales del proceso de fermentación alcohólica ................................. 6 -Temperatura ............................................................................................................................... 6 -pH ................................................................................................................................................. 6 -Nutrientes .................................................................................................................................... 6 -Oxígeno disuelto .......................................................................................................................... 7 -Densidad celulaR ........................................................................................................................ 7 -Concentración de etanol ............................................................................................................ 7 1.1.3.1.3. Sistemas de fermentación .................................................................................................. 7 1.1.3.2. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en azúcares .............................. 7 1.1.3.2.1. Producción de bioetanol a partir de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) ....... 8 1.1.3.2.2. Producción de bioetanol a partir de remolacha azucarera (Beta vulgaris L.subsp. vulgaris var. Altissima Döll)............................................................................................................. 12 1.1.3.3. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en polisacáridos de reserva .. 13 1.1.3.3.1. Producción de bioetanol a partir de grano de cereal ................................................... 13 1.1.3.3.2. Producción de bioetanol a partir de mandioca (Manihot esculenta Crantz)............... 17 1.1.3.4. Producción de bioetanol a partir de materias primas ricas en celulosa y hemicelulosa .... 19 1.1.3.5. Gestión de subproductos y residuos ........................................................................................ 24 1.1.4. Producción de bioetanol por vía termoquímica .............................................................................. 25 1.1.5. Panorámica de la producción de bioetanol ..................................................................................... 25 1.2. El biogás para fines energéticos ................................................................................................................ 27 1.2.1. Biogás. Definición y tipos .................................................................................................................. 27 1.2.2. El proceso de digestión anaeróbica .................................................................................................. 29 1.2.2.1. Fases y microbiología del proceso ........................................................................................... 29 1.2.2.2. Condiciones ambientales y parámetros de control ................................................................ 31 - Temperatura .................................................................................................................................. 31 - pH ................................................................................................................................................... 32 - Potencial Redox ............................................................................................................................. 33 1.2.2.3. Parámetros de alimentación .................................................................................................... 34 1.2.2.4. Nutrientes .................................................................................................................................. 34 1.2.2.5. Inhibidores ............................................................................................................................... 36 1.2.3. Materias primas empleadas para la producción de biogás ........................................................... 38 - Codigestiones ....................................................................................................................................... 41 - Pretratamientos ..................................................................................................................................