BIOBUTANOL: ¿UNA PROMESA DE FUTURO? (y IV)

Para terminar con la serie de post sobre el biobutanol (I, II y III), que mejor que desgranar un poco cuales son las líneas de trabajo en las que se está centrando la investigación en este momento para conseguir un desarrollo aplicable como solución a la falta de biocombustibles comerciales.

Como ya apuntaba en el post anterior, los puntos en los que se está haciendo hincapié para mejorar la producción de biobutanol a nivel industrial son tres: el microorganismo, la tecnología y la materia prima.

Ingeniería Genética: Desarrollo de nuevos microorganismos.

La modificación genética de microorganismos del género Clostridium es una de las herramientas más utilizadas para la mejora de la producción de biobutanol. Mediante la alteración de los genes se pueden desarrollar nuevas cepas de Clostridium más resistentes a posibles inhibidores, como el propio biobutanol, que es tóxico para estos microorganismos.

También se pueden modificar las bacterias para puedan alimentarse de una variedad más amplia de sustratos, rentabilizando mucho más las materias primas. De esta manera algunos carbohidratos como las pentosas, más difícilmente fermentables, podrían servir como fuente de alimentación para los Clostridium, y ciertas cepas mutagénicas serían capaces de degradar la celulosa para obtener los carbohidratos simples y poder alimentarse.

Algunas cepas modificadas de C. beijerinckii son capaces de producir el doble de butanol que la cepa de origen, e incluso, producir butanol únicamente. Las grandes compañías trabajan en la mejora genética de cepas para la incrementar la producción de butanol, lo que supondría un incremento sustancial en la rentabilidad del proceso.

La producción de butanol mediante bacterias anaerobias, como las de género Clostridium tienen como desventaja la baja velocidad de crecimiento frente a otras especies aerobias. Por ello algunos investigadores están trabajando en la obtención de butanol clonando genes relacionados con la producción de butanol de C. acetobutylicum en E.coli e incluso con levaduras modificadas de Saccharomyces cerevisiae, debido a su potencial resistencia al butanol y por estar genéticamente bien caracterizada. Hasta el momento no se han obtenido resultados comparables a los de C.beijerinckii, pero es otra de las líneas de investigación abiertas y en fase de estudio.

Nuevas tecnologías de fermentación.

Tradicionalmente los procesos de fermentación ABE se habían llevado a cabo en procesos discontinuos, es decir, todos los reactivos se colocan en el reactor bajo las condiciones de operación hasta que se agotan y se obtienen los productos. Los reactores que operan en continuo resultan más fáciles de operar y reducen los riesgos de contaminación, pero también se caracterizan por su baja productividad.

Dos de las posibles soluciones para incrementar la productividad del proceso de producción de butanol son la inmovilzación de microorganismos y el desarrollo de procesos en separación del producto in situ.

La inmovilización de microorganismos consiste en el establecimiento de una interacción (ya sea mediante fuerzas físicas, químicas) entre los microorganismos productores de butanol y un soporte, que puede ser natural o sintético. Este sistema tiene las ventajas de facilitar la separación de los productos, elevar la densidad celular y mejorar la transferencia de materia. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes como la necesidad en algunos casos de procesos previos de hidrólisis, la pérdida de actividad celular como consecuencia de la inmovilización y la acumulación de burbujas de gas.

Los procesos de separación in situ permiten la extracción del butanol desde el caldo de fermentación a medida que éste es producido en el medio. De esta manera se aumenta la productividad del proceso y se evitan fenómenos de inhibición provocados por la toxicidad del butanol frente a los microorganismos que lo producen. Algunas de las técnicas de separación utilizadas para la extracción de butanol son la destilación, el arrastre de gas, la extracción líquido-líquido y la pervaporación.

Al igual que ocurre en los procesos de producción de etanol, la recuperación de butanol mediante destilación resulta bastante costosa, debido a la baja concentración de el producto en el medio. Además, el punto de ebullición del butanol es superior al del agua (117,7 ºC) lo cual determina que este proceso conlleve un elevado consumo de energía asociado lo que a su vez deriva en un incremento del coste del proceso.

El arrastre de gas es una técnica muy sencilla que permite recuperar cualquier solvente del medio de fermentación y que no requiere grandes inversiones en equipos. Consiste en burbujear un gas (nitrógeno o incluso los gases producidos en la fermentación: CO2 e H2) a través del medio de fermentación. Durante su paso por el medio, el gas captura los solventes (butanol, acetona, etanol) y son arrastrados hacia la salida, donde son condensados. El gas vuelve a ser recirculado en el fermentador para continuar así con la captura de los productos. Esta técnica no elimina los nutrientes del medio y no produce daños sobre el cultivo. Los resultados obtenidos mejoran considerablemente ya que se reduce de manera muy apreciable el problema de inhibición por elevadas concentraciones de azúcares.

La extracción líquido-líquido permite eliminar los productos del medio de fermentación mediante la entrada de un disolvente líquido que permite extraer el butanol. La mezcla del disolvente y el producto es recuperada mediante otro proceso de extracción o mediante destilación. Algunos de los disolventes que se han utilizado con este fin han sido el aceite de maíz y el alcohol oléico.

La pervaporación es un proceso de separación basado en el empleo de una membrana selectiva que permite separar compuestos volátiles del medio de fermentación. Estos compuestos difunden a través de la membrana dejando atrás los nutrientes y los microorganismos presentes en el medio. El flujo de productos a través de la membrana depende de la selectividad de la misma y de su composición. La recuperación del butanol se lleva a cabo mediante la aplicación de vacio o mediante un gas de arrastre.

Materias primas alternativas.

La materias primas tradicionales que se han utilizado en el proceso ABE han sido materias de origen no celulósico, como las melazas de remolacha, la caña de azúcar, el almidón de cereales, el sorgo o el suero lácteo.

Sin embargo, las materias primas de origen lignocelulósico son sumamente interesantes, ya que la lignocelulosa es el componente más abundante en la biomasa terrestre y su coste es bajo, aunque para poder ser utilizada a nivel industrial requiere todavía un mayor grado de avance tecnológico.

Existen diversas fuentes de material lignocelulósico, que va desde residuos agrícolas como paja de trigo o de maíz hasta residuos forestales, de madera, licores de la industria del papel, residuos de la industria algodonera, bagazo de caña de azúcar, fibra de maiz etc. El principal problema radica en que debido a su compleja estructura requieren tratamientos previos que faciliten el acceso a los azúcares fermentables.

Esta tipología de residuos es muy característica de Estados Unidos, país en el que la investigación sobre la producción biotecnológica de butanol está más avanzada que en España. Por lo tanto, para poder abordar la producción industrial de butanol a nivel nacional mediante técnicas fermentativas es necesaria la investigación de materias primas típicas de nuestro país que puedan ser utilizables en este proceso. Esto supondría la posibilidad de bajar los costes del proceso de producción y a su vez, permitiría eliminar ciertos residuos y reincorporarlos a un proceso productivo.

Esta entrada participar en la V edición del Carnaval de la Química que se celebra en el blog Scientia y en la V edición del Biocarnaval, alojado esta vez en el blog Feelsynapsis.

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3 pensamientos en “BIOBUTANOL: ¿UNA PROMESA DE FUTURO? (y IV)

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