Según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas, las temperaturas del planeta podrían aumentar a niveles amenazantes en un plazo de 30 años si los combustibles fósiles siguen incinerándose a los ritmos actuales. Los combustibles alternativos pueden derivarse de fuentes orgánicas sostenibles utilizando métodos de refinamiento intensivo, conocidos como bioprocesamiento. Para favorecer la proliferación de esta tecnología, los científicos suizos han desarrollado un método de racionalización de la producción de biocarburantes mediante ingeniería química para consolidar las etapas fundamentales de la cadena de producción. “Es imperativo que encontremos alternativas a los combustibles fósiles”, dice el Dr. Michael Studer de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna (BFH-HAFL) en Zollikofen. “Los biocombustibles de segunda generación son una solución viable a este dilema, que podría proporcionarse a escala suficiente para abordar estos problemas de inmediato”. A diferencia de los biocombustibles de primera generación producidos a partir de cultivos comestibles como la caña de azúcar o el maíz, el recurso para estos biocombustibles avanzados es la biomasa lignocelulósica, la materia orgánica más omnipresente del planeta. Desafortunadamente, las técnicas de procesamiento para refinar la lignocelulosa son mucho más elaboradas y costosas en comparación con las materias primas de primera generación. “Consecuentemente,” dice Studer, “la conversión económica de biomasa en químicos y combustibles es un reto científico importante.” Actualmente, la refinación bioquímica de la biomasa, como la madera o los residuos agrícolas, para obtener el producto final deseado requiere varias etapas. Primero, el material es pretratado a temperaturas elevadas, necesarias para lograr altos rendimientos en el siguiente paso de hidrólisis enzimática. Aquí, los carbohidratos poliméricos – la hemicelulosa y la celulosa – son separados por la acción de las enzimas en monosacáridos, por ejemplo, glucosa y xilosa, que pueden ser fermentados por microorganismos seleccionados en el producto deseado. Las enzimas necesarias para la fase de hidrólisis se producen in situ en un tanque de reacción separado o se compran a un proveedor externo, y ambas versiones contribuyen significativamente a los costes de conversión. Los tres pasos principales suelen ir acompañados de pasos adicionales de separación, lavado y desintoxicación para maximizar los rendimientos. Una forma de hacer el proceso más rentable es la integración de varios pasos del proceso en un solo paso (llamado bioprocesamiento consolidado), combinado idealmente con la eliminación de los pasos de lavado y desintoxicación. Este enfoque de biología molecular implica la ingeniería de un microorganismo superior modificado genéticamente que es capaz de producir las enzimas hidrolíticas, así como de fermentar los azúcares derivados en etanol. Aunque es indudablemente un enfoque muy atractivo, todavía está abierta la cuestión de si un organismo de tan alta ingeniería podría resistir los rigores de un proceso industrial a gran escala. Además, el uso de estos biocatalizadores podría acarrear costes de eliminación considerables. Como alternativa, el Dr. Studer y su equipo de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich están desarrollando una nueva y consolidada técnica de bioprocesamiento utilizando una mezcla de robustas cepas microbianas industriales que crecen en un reactor. El principal desafío fue que los requerimientos de oxígeno de los organismos involucrados son diferentes: la producción de enzimas celulolíticas fúngicas requiere condiciones ricas en oxígeno (aeróbicas), mientras que la conversión de azúcares en etanol por parte de la levadura tiene lugar en condiciones anaeróbicas. Un reactor de membrana especial fue desarrollado para contrarrestar este problema, donde los investigadores colocaron los grupos de microorganismos involucrados en una biopelícula uno encima del otro, creando un reactor en el que ambos catalizadores funcionan simultáneamente. El oxígeno necesario para el crecimiento de los hongos aeróbicos se suministra a través de una membrana densa y permeable al oxígeno, mientras que la capa superior de la biopelícula y el caldo de fermentación se ven privados de él a propósito, lo que crea diferentes ambientes de crecimiento para los diversos tipos de microorganismos necesarios. Las enzimas secretadas en la parte aeróbica del biofilm se liberan en el lodo de la biomasa pretratada, hidrolizando el material celulósico para liberar azúcares monoméricos. La rápida fermentación de los azúcares se produce gracias a la intervención de las células de levadura de crecimiento más rápido, que crecen en las regiones anaeróbicas del reactor. A medida que estos completan su trabajo, se libera etanol. “Nuestro proceso definitivamente funciona de manera efectiva”, dice Studer. “Los rendimientos son de alrededor del 80 por ciento si estamos convirtiendo celulosa pura en etanol. Utilizando paja de trigo pretratada y no desintoxicada como materia prima, el rendimiento es sólo ligeramente inferior, alrededor del 70 por ciento”. El equipo está tratando de diversificar sus productos. Hasta la fecha, el etanol como producto ha sido el centro del trabajo. “Pero, de hecho, podemos producir cualquier producto químico que pueda derivarse de la fermentación del azúcar en un ambiente anaeróbico”, dice Studer. Entre los productos alternativos se incluyen el ácido láctico y el succínico, y los científicos también tienen la intención de generar butanol. En general, un reto importante al cambiar a un nuevo producto es establecer un entorno que alimente todas las cepas de microorganismos diferentes pero cohabitantes. “Debido a las condiciones variables de pH y temperatura que estas entidades pueden requerir, esto no es fácil. Por lo tanto, debemos asegurarnos de que nuestro sistema sea lo suficientemente adaptable”, dice Studer. Financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, el último proyecto de investigación en curso de Studer tiene como objetivo reducir la gravedad del pretratamiento necesario y, por lo tanto, ahorrar energía mediante la mejora del consorcio microbiano con un tipo diferente de hongos cuando se utiliza la madera como materia prima. “Estos hongos modifican o degradan la lignina, que de otra manera se hace termoquímicamente por altas temperaturas para hacer efectivas las enzimas hidrolíticas”, explica Studer. Además, el equipo está trabajando en una versión más amplia y continua del proceso. “Estamos utilizando equipos análogos a los que se encuentran en la industria, como un conjunto de reactores de tanque de agitación conectados en serie. La membrana se integra en los reactores convencionales, tal y como podría hacerse en una instalación comercial”, dice Studer. Los investigadores prevén que el nuevo proceso será compatible con las instalaciones existentes y podría realizarse utilizando nuevos módulos que funcionen cómodamente dentro de las infraestructuras actuales. En un plazo de tres a cinco años, el equipo se propone establecer un programa piloto industrial para evaluar sus méritos prácticos. “En lugar de utilizar la ingeniería genética para crear microorganismos superiores que mejoran la fermentación, hemos logrado resultados análogos a través de la ingeniería química”, dice Studer. “Esta es una alternativa única, que consideramos sin precedentes. También es en gran medida no anunciada, pero esperamos que en última instancia se reconozca que contribuye de manera significativa a la realización de biocombustibles populares y económicamente competitivos”.
