Estudios apuntan a obtener mejores formas de utilización de la biomasa

Científicos de la UFSCar y de la USP, en Brasil, plantean durante la FAPESP Week Belgium abordajes tendientes a solucionar desafíos concernientes al uso de esta fuente de energía en una economía sostenible

Heitor Shimizu, desde Bruselas (Bélgica)  |  Agência FAPESP – El desarrollo sostenible es “el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades”, de acuerdo con el Informe Brundtland, publicado en 1987 por la Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo. 

Ese mismo informe, intitulado Nuestro futuro común, sugiere una serie de medidas que deberían tomar los países para promover el desarrollo sostenible, entre ellas el desarrollo de tecnologías que impliquen la utilización de fuentes energéticas renovables. 

Brasil es uno de los países que más emplea fuentes energéticas renovables. Además, el país no depende tanto del petróleo para sus vehículos como los otros países. El motivo de ello es el uso de biocombustibles, especialmente el etanol, elaborado con base en el jugo extraído de la caña de azúcar. Pero existe otro tipo de etanol que posee un inmenso potencial: es el etanol celulósico, obtenido del bagazo y de la paja de la caña de azúcar, y también denominado etanol de segunda generación. 

El etanol celulósico es uno de los más importantes ejemplos de utilización de la biomasa lignocelulósica para la producción de combustibles líquidos renovables. 

“Existe un consenso que indica que una economía sostenible dependerá de una multiplicidad de fuentes de energía, pero la biomasa desempeñará un rol importante”, dijo Roberto de Campos Giordano, profesor titular del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), durante la FAPESP Week Belgium, realizada en las ciudades de Bruselas, Lieja y Lovaina entre los días 8 y 10 de octubre de 2018.

“Asimismo, las biorrefinerías deberán producir moléculas y monómeros [que se combinan en la formación de polímeros] para reemplazar a los derivados del petróleo. Sin embargo, aún debe superarse un cuello de botella importante: ¿cómo concretar esta transición en la economía real?”, dijo De Campos Giordano, quien dirige el Laboratorio de Desarrollo y Automatización de Bioprocesos, y durante el evento se refirió al aporte de la ingeniería de procesos y sistemas para hacer factible uso de la biomasa en una economía de bajo carbono. 

Según De Campos Giordano, aún es necesario un arduo trabajo en dos vertientes: el desarrollo de bioprocesos avanzados y el desarrollo de herramientas computacionales “de apoyo al análisis de factibilidad técnica, económica y ambiental desde el comienzo de la investigación de procesos productivos con bajo impacto de carbono”.

Un grupo interinstitucional de ocho laboratorios reunidos está abordando ambos aspectos en el marco del Proyecto Temático intitulado “De la fábrica celular a la biorrefinería integrada de biodiesel-bioetanol: un abordaje sistémico aplicado a problemas complejos a micro y macroescala”, coordinado por De Campos Giordano y que integra el Programa FAPESP de Investigaciones en Bioenergía (BIOEN). 

“Con este proyecto nos planteamos afrontar desafíos tecnológicos mediante una nueva concepción de biorrefinería integrada, aprovechando las sinergias entre los procesos de producción de los dos más importantes biocombustibles brasileños: el bioetanol de primera y de segunda generación partiendo de la caña de azúcar, y el biodiesel, a base de aceites vegetales y también de fuentes microbianas”, dijo. 

“Para ello hemos congregado a investigadores del área con vasta experiencia y de diversas instituciones del estado de São Paulo. Los biocombustibles líquidos de fuentes renovables constituyen ‘la espina dorsal de esa biorrefinería con base en rutas bioquímicas, pero también se estudia la producción de moléculas de mayor valor agregado”, añadió el investigador. 

En este Proyecto Temático se congregan varias líneas de investigación, a saber: Síntesis, optimización y análisis técnico, económico y ambiental integrado a la simulación de la refinería de bioetanol, Obtención de biomoléculas de valor agregado con base en subproductos de los procesos de producción de biocombustibles o de la biomasa presente en la biorrefinería, e Integración de los procesos de producción de etanol de segunda generación y del biodiesel etílico utilizando subproductos de la producción de combustibles como materia prima. 

Hongos con gusto por el calor

La biomasa constituye una fuente abundante de polisacáridos –hidratos de carbono compuestos por moléculas de azúcares menores– como la celulosa, que pueden utilizarse como materia prima renovable para la producción de biocombustibles (como el etanol de segunda generación) y de compuestos de química verde (fertilizantes), entre otros.

“El problema reside en que la conversión de esos polisacáridos en azúcares que pueden fermentarse por vía enzimática aún es un proceso lento y de alto costo”, dijo Fernando Segato, docente de la Escuela de Ingeniería de Lorena de la Universidad de São Paulo (EEL-USP), durante la FAPESP Week Belgium. 

Segato hizo referencia durante el evento realizado en Bruselas al uso de enzimas elaboradas por hongos que sobreviven a temperaturas elevadas en la producción de azúcares con base en la biomasa lignocelulósica, compuesta de lignina, hemicelulosa y celulosa.

“La producción de biocombustibles y de otros compuestos químicos con base en materiales renovables como la biomasa lignocelulósica es difícil, fundamentalmente debido a su resistencia, lo que dificulta su deconstrucción. Esta resistencia obedece principalmente a la presencia de la lignina presente en la pared celular de la planta”, dijo. 

La lignina es una macromolécula hallada en las plantas terrestres. Se encuentra asociada a la hemicelulosa y a la celulosa en la pared celular, y cumple la función de dotar de rigidez, impermeabilidad y resistencia contra los ataques biológicos y mecánicos a los tejidos vegetales. 

“Puede romperse o removerse la lignina de la pared celular de la planta mediante tratamientos de elevado costo y que requieren la aplicación de productos químicos a altas temperaturas y alta presión. La lignina en la biomasa lignocelulósica es resistente al ataque de microorganismos, pero algunos hongos producen enzimas que pueden degradar la lignina”, dijo. 

Debido a ello, el grupo del profesor Segato investiga el uso de enzimas, producidas por hongos termofílicos (o termófilos) en la degradación de la lignina. Estos microorganismos son capaces de sobrevivir a temperaturas elevadas, superiores a los 45 °C. Algunos de estos hongos (hipertermofílicos) pueden resistir temperaturas cercanas a los 70 °C. Entre las principales especies de hongos que estudian los investigadores se encuentran la Aspergillus niveus (recientemente reclasificada como A. fumigatus var niveus) y la Myceliophthora thermophila. 

Esta investigación cuenta con el apoyo de la FAPESP y se lleva a cabo en colaboración con científicos de la USP, del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CPNEM) de Brasil, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), de la University of Nebraska en Lincoln (UNL), en donde Segato fue profesor visitante, y de la Oklahoma State University (OSU).

Según Segato, se identificaron mecanismos para degradar materiales lignocelulósicos mediante el análisis del transcriptoma (el conjunto de ARNs de un organismo, órgano, tejido o linaje celular) y del secretoma (el conjunto de proteínas secretadas) de hongos termofílicos. “Asimismo, se verificó un aumento de hasta 2,5 veces en la actividad de sacarificación de la biomasa cuando se mezclaron los extractos enzimáticos de distintas especies”, dijo. 

“Estos resultados llevaron a nuestro grupo a investigar enzimas que podrían estar actuando juntas para mejorar la sacarificación de la biomasa lignocelulósica. Para ello aplicamos técnicas de análisis de alta tasa de producción, biología molecular y expresión heteróloga de proteínas como herramientas tendientes a comprender mejor la interacción enzimática que llevó a aumentar la sacarificación de biomasa lignocelulosa”, dijo. 

La organización de la FAPESP Week Belgium, un evento realizado en el Centro Belga de Cómics, estuvo a cargo de la FAPESP junto a las instituciones belgas F.R.S.-FNRS, el Departamento de Economía, Ciencia e Innovación (EWI), la Fundación para la Investigación Científica – Flandes (FWO) y la Wallonie-Brussels International (WBI).

Más información en: www.fapesp.br/week2018/belgium.