biocombustibles - biomasa lignocelulosica y procesos de produccion

[Ide@s CONCYTEG] Año 4, Núm. 54, 2 de diciembre de 2009

Biocombustibles: biomasa

lignocelulósica y procesos de producción

1246

Claudia Castro Martínez1 María Elena Valverde2

Octavio Paredes López3

Introducción

El mundo actual hace frente a una

disminución progresiva de sus fuentes

energéticas debido principalmente a que son

1 Doctor en Ciencias en Ingeniería de Procesos y Medio Ambiente del Instituto Nacional Politécnico de Toulouse, Francia. Estancia Posdoctoral en el Posgrado en Biotecnología, UAS y en el Departamento de Biotecnología y Bioquímica del CINVESTAV, Unidad Irapuato. Candidato del SNI. E-mail: [email protected] 2 Doctora en Biotecnología Vegetal del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Unidad Irapuato. Auxiliar de Investigación, Departamento de Biotecnología y Bioquímica. CINVESTAV, Unidad Irapuato. Nivel I del SNI. E-mail: [email protected] 3 Doctor en Ciencias de plantas de la Universidad de Manitoba, Canadá. Investigador Titular F del Departamento de Biotecnología y Bioquímica del CINVESTAV, Unidad Irapuato. Investigador Emérito del SNI. E-mail: [email protected]

no renovables (petróleo); sin embargo, el

consumo de energía aumenta a pasos

exorbitantes. Por esto el panorama global en

el mercado bioenergético es obscuro. Por otro

lado, el enorme uso de combustibles fósiles

conduce a un impresionante aumento en la

generación de gases contaminantes liberados

a la atmósfera, lo cual causa graves cambios

en el clima global (Sánchez y Cardona,

2008).

Depender del petróleo como materia

prima energética tiene desventajas,

principalmente porque no es renovable, por lo

que en el futuro su disponibilidad será

limitada. Por tal motivo, ha surgido el interés

en la búsqueda de alternativas tecnológicas

para producir biocombustibles útiles

mediante procesos no contaminantes y que no

dependan del petróleo.

La solución a esta problemática

depende del desarrollo e implementación de

tecnologías que permitan utilizar fuentes

alternativas de energía renovable. En la

actualidad ninguno de los estudios o

evaluaciones representan una solución clara

de las demandas de energía. Por lo que es de

suma importancia buscar alternativas a través

de un conjunto de tecnologías.

Una solución apropiada y renovable es

el uso de la energía solar en forma de

biomasa (bioenergía) y puede ser

potencialmente representado como cosechas

energéticas y residuos lignocelulósicos.

mailto:[email protected]



Agustin Vidal

Resaltado


A nivel mundial los países pioneros en

la producción de biocombustibles son

Estados Unidos y Brasil. Estos países están

generando millones de litros de bioetanol a

partir de maíz y caña de azúcar, cultivos

destinados para la alimentación humana, lo

que ha generado gran controversia social,

económica y política; así como disminución

en los recursos alimenticios para la sociedad

y por consecuencia aumento en los precios de

los alimentos.

1247

Los biocombustibles de segunda

generación son los que se pueden obtener a

partir de fuentes no comestibles, como por

ejemplo desechos agrícolas o plantas con

pocos requerimientos de cultivo que se

puedan sembrar en tierras poco fértiles y que

necesiten poca energía para la conversión.

Estas plantas presentan gran potencial,

especialmente porque tienen mayores

beneficios ambientales que los obtenidos del

petróleo o de los biocombustibles de primera

generación obtenidos de alimentos (Tiffany y

Edman, 2005).

Para que un biocombustibles sea una

alternativa viable debe dar ganancia

energética positiva y beneficios ambientales;

además, debe ser económicamente

competitivo y se debe producir en grandes

cantidades, por supuesto sin reducir el

suministro de alimentos (Hill y col., 2006).

La presente revisión muestra las

diferentes materias primas celulósicas con

alto potencial para la producción de

biocombustibles. Se incluyen los

pretratamientos necesarios para la

degradación de la biomasa lignocelulósica,

así como los microorganismos y enzimas

involucradas en dichos procesos. Además,

nos enfocamos en los procesos existentes

para la producción de biocombustibles,

microorganismos involucrados y

modificaciones genéticas llevadas a cabo para

el mejoramiento de los diferentes procesos de

producción sustentable de combustibles.

1. Materia prima utilizada

Desde hace ya varios años se han evaluado

diferentes materias primas (caña de azúcar,

maíz, biomasa lignocelulósica, cultivos

energéticos, entre otros) para la producción

de biocombustibles tales como: bioetanol,

biodiesel y biogás. Enseguida citaremos los

sustratos actualmente utilizados a nivel

industrial, así como aquellos que son

potencialmente prometedores para la

producción de diversos biocombustibles.

Además presentaremos un cuadro

comparativo de las diferentes materias primas

mencionadas (Cuadro 1). Como podemos

observar, muchos factores son determinantes

en la elección de un cultivo energético. El uso

de biomasa lignocelulósica representa la


1248

mejor opción porque el balance energético es

superior al obtenido usando cultivos

utilizados para la alimentación humana; sin

embargo, es necesario realizar muchos

avances científicos y tecnológicos para poder

utilizarla (10-70 NER para Miscanthus versus

3.0-4.0 NER para caña de azúcar). Por otro

lado, las cosechas de materiales energéticos

lignocelulósicos que no sirvan para la

alimentación humana podrían ayudar a

disminuir la erosión del suelo, así como

proteger la diversidad natural.

Cuadro 1. Comparación de diferentes procesos y cultivos energéticos (Yuan y col., 2008)

Producto-Sustrato Materia prima NEB

GJ/ha/año NER Balance CO2 Cosecha anual Establecido Beneficio

ecológico

Etanol a partir de almidón y

glucosa

Maíz 10-80 1.5-3.0 Positivo Sí ++ + +

Azúcar de caña 55-80 3.0-4.0 Positivo No ++ + +

Remolacha azucarera 40-100 2.5-3.5 Positivo Sí ++ + +

Sorgo Dulce 85-300 5-10 Positivo Sí ++ + ++

Etanol a partir de desechos

lignocelulósicos

Pasto elefante (Miscanthus) 250-550 15-70 Posible

negativo Sí/No + +++

Pasto perenne C4 (Swithchgrass)

150-500 10-50 Posible negativo No + +++

Arboles dioicos (Poplar) 150-250 10-20 Posible

negativo No + +++

Biodiesel

Soya -20-10 0.2-0.6 Positivo Sí ++ +

Canola -5-2 0.7-1.0 Positivo Sí ++ + +

Girasol -10-0 0.3-0.9 Positivo Sí ++ + +


1.1. Caña de azúcar y maíz

El etanol obtenido de caña de azúcar y

almidón de maíz es el biocombustible que

más se ha promocionado en los últimos años.

La producción a nivel mundial en el 2007 fue

de 49 mil millones de litros. Estados Unidos

produce a partir de maíz cerca de 18 mil

millones de litros por año de etanol; mientras

que Brasil produce 14 mil millones de litros

por año a partir de caña de azúcar. Estos dos

países son considerados como los mayores

productores de biocombustibles, aportando

cerca del 93% de la producción mundial.

Históricamente Brasil ha sido el país líder en

producción de combustible líquido renovable

y desde 1990 se implementó el uso de etanol

puro en el 90% de los carros nuevos y

mezclas de 20-22% con gasolina o diesel para

carros de modelo viejo. La aplicación de este

programa gubernamental en Brasil se ha

tomado como ejemplo a nivel mundial

(Tollefson, 2008; Pessoa y col., 2005).

1249

1.2. Cultivos energéticos

Diversos investigadores se han interesado en

identificar y caracterizar especies de plantas

con potencial energético. Para ello, es

necesario entender donde pueden crecer estas

especies y los efectos ecológicos sobre el

medio ambiente que podrían traer; así como,

su respuesta a las condiciones ambientales,

sensibilidad biótica y abiótica. Por otro lado,

hay que estudiar su diversidad genética,

sistemas de cruzas y características

agronómicas (Carol y Somerville, 2009).

Algunos de los cultivos energéticos

ampliamente cultivados son: Miscanthus

(pasto elefante), Jatropha (piñon) y Poplar

(pasto perenne C4). Estos cultivos representan

una importante fuente de producción de

biomasa lignocelulósica. Swithgrass

(Panicum virgatum) es el mayor cultivo

energético utilizado en USA, esto se debe a

su amplia capacidad para adaptarse a las

condiciones ambientales, alta producción de

biomasa, elevada eficiencia fotosintética y

eficiente uso de agua y nitrógeno. Presenta un

rendimiento de aproximadamente de 25

Mg/ha/año, dependiendo de la latitud y

nutrición, entre otros factores.

El Miscanthus híbrido (Miscanthus x

giganteus) es otro cultivo energético muy

empleado, principalmente en Europa. Este

cultivo presenta mayor tolerancia al frío, por

lo que puede ser empleado a mayores

latitudes. Se ha reportado un rendimiento de

38 Mg/ha/año y tiene mejor uso del nitrógeno

que el Swithgrass.

Los pastos leñosos son otro grupo de

cultivos energéticos e incluyen: poplar, sauce

y pino. El poplar híbrido se considera el

modelo de este grupo de cultivos por su

amplia capacidad de adaptación y su rápido


1250

crecimiento, porque se dispone de su

secuencia genómica, se conoce un sistema

transformación. El rendimiento de esta planta

es alrededor de 7 a 20 Mg/ha/año,

dependiendo de las condiciones ambientales

y nutritivas.

1.3. Desechos lignocelulósicos

El uso de la biomasa lignocelulósica para la

producción de biocombustibles será

fundamental en la preservación del ambiente,

en la generación de nuevas oportunidades de

trabajo, desarrollo sostenible; así como en

mejoras en la salud. La energía derivada de la

biomasa residual podría también ayudar en la

modernización de la economía agrícola. Sin

embargo, una de las dificultades de utilizar

estos residuos es que están formados

principalmente de complejos lignina-celulosa

que son sumamente difíciles de degradar y

sólo un grupo pequeño de organismos son

capaces de hacerlo.

Las etapas importantes en la

bioconversión de lignocelulosa a combustible

son: la reducción de tamaño de la biomasa, el

pretratamiento, la hidrólisis y la producción

del combustible (Houghton y col., 2006).

1.3.1. Composición de la lignina, hemicelulosa y celulosa

Aproximadamente el 70% de la biomasa

vegetal está compuesta por azúcares de 5 y 6

átomos de carbono. Estos azúcares se

encuentran en la biomasa lignocelulósica y

comprenden principalmente celulosa (un

homo polímero conteniendo largas cadenas

de glucosa); en menos proporción se

encuentra la hemicelulosa (un heteropolímero

de 5 y 6 átomos de carbono) y todavía en

menor grado se encuentra la lignina (un

polímero aromático complejo) (Figura 1)

(Rubin, 2008).


Figura 1. Estructura de biomasa lignocelulósica (Rubin, 2008)

A continuación se detalla la composición de los diferentes materiales de la biomasa

lignocelulósica (Figura 2).

1251

Composicióndebiomasa

lignocelulósica

Celulosa

Hemicelulosa

Celobiosa

Glucosa

Hexosas: glucosa, manosa, galactosa

Pentosas: xilosa y arabinosa

Acido urónico

Unidades de fenil propano: alcoholesp-cumaril , coniferil, sinapil

Furfural :5-hidroximetilfurfural

Lignina

Figura 2. Composición de la biomasa lignocelulósica


1.3.1.1. Lignina

La estructura de la lignina es de naturaleza

aromática y se origina por la polimerización

oxidativa de tres tipos principales de

alcoholes cinamílicos hidroxilados (p-

cumaril, coniferil, sinapil, Figura 1 y 2). La

estructura de estos derivados del alcohol

cinamílico se caracteriza porque tiene un

grupo hidroxilo libre en la posición 4 del

anillo aromático. La complejidad estructural

de la lignina hace que las enzimas que se

encargan de hidrolizarla presenten

mecanismos de acción no específicos que

oxidan los anillos aromáticos que constituyen

el polímero. Las enzimas que participan en

este proceso son: lignina peroxidasa,

peroxidasa dependiente de Mn y lacasa (una

fenoloxidasa que contiene principalmente

cobre) (Pérez y col., 2002). Existen otras

enzimas asociadas en la degradación de

lignina de una manera indirecta: glioxal

oxidasa y superóxido dismutasa que producen

H2O2 (Berrocal y col., 1997).

1252

1.3.3.2. Hemicelulosa

La hemicelulosa está constituida por

polisacáridos solubles en álcali asociados con

celulosa en la pared celular de la planta.

Presenta mucho menor grado de

polimerización (100 a 200 unidades) que la

celulosa (10,000-14,000 unidades) y los

principales componentes son: D-xilosa, D-

manosa, D-glucosa, D-galactosa, L-

arabinosa, D-ácido glucorónico, 4-O-metil-D-

ácido glucorónico, D- ácido galacturónico y

en menor medida, L-ramnosa, L-fucosa y

varios azúcares O-metilados (Howard y col.,

2003) (Figura 1 y 2). Las hemicelulasas son

las encargadas de hidrolizar los

heteropolisacáridos y constan de un complejo

proteínico parecido al celulosoma de algunas

bacterias celulolíticas. Los xilanos son los

principales componentes de la hemicelulosa,

por lo que las xilanasas son las enzimas más

importantes en la hidrólisis de este sustrato.

Otras enzimas importantes son manosidasas,

manasas, arabinanasas, entre otras.

1.3.3.3. Celulosa

La celulosa es el compuesto orgánico más

abundante en la tierra. Estructuralmente está

formada por moléculas de glucosa unidas por

enlaces β 1-4 con un alto grado de

polimerización (10,000 unidades) (Figura 1 y

2); con regiones altamente cristalinas y

regiones amorfas (no cristalinas). Tiene un

alto grado de tensión que la hace muy

resistente a hidrólisis enzimática,

especialmente en las regiones cristalinas

(Howard y col., 2003). Las celulasas son las

enzimas responsables de la hidrólisis de


1253

celulosa y se dividen en tres grandes grupos

según su actividad enzimática:

endoglucanasas o endo-1,4-β-glucanasa,

celobiohidrolasas y β-glucosidasas. Las

endoglucanasas, también llamadas

carboximetilcelulasas, inician el ataque al

azar en varios sitios internos de la región

amorfa de la fibra de celulosa, abriendo

nuevos sitios para el subsecuente ataque por

las celobiohidrolasas (exoglucanasa) que

hidrolizan con eficacia celulosa cristalina.

Generalmente, las endoglucanasas y las

celobiohidrolasas trabajan juntas en la

hidrólisis de celulosa (Rabinovich y col.,

2002).

La celulosa es el componente

mayoritario en los materiales de origen

vegetal, pero está ligada íntimamente con la

lignina y sólo una pequeña parte de ésta se

encuentra libre para ser atacada por el sistema

de enzimas celulolíticas; por lo que, la

degradación de los materiales vegetales está

inversamente relacionada con el contenido de

lignina. De aquí la necesidad de realizar un

proceso de deslignificación para poder

utilizar desechos agrícolas e industriales de

origen vegetal en la producción de

biocombustibles (Figura 3).

Figura 3. Tratamiento de biomasa lignocelulósica


2. Pretratamientos para degradar biomasa lignocelulósica

Existen varias posibilidades de lograr una

deslignificación química y/o física, y

recientemente se está utilizado ingeniería

genética como alternativa para alterar la ruta

de biosíntesis de la lignina en las plantas,

facilitando así su utilización (Hendriks y

Zeeman, 2009).

En los procesos convencionales

(Cuadro 2) la lignina se elimina por

pretratamientos químicos (Liu y Wyman

2003) y/o térmicos (Garrote y col., 1999),

seguido de hidrólisis ácida/enzimática (Zhang

y Lynd, 2004). Sin embargo, se ha propuesto

reemplazar los tratamientos fisicoquímicos

por tratamientos biológicos (mediante hongos

o bacterias lignocelulolíticas) para la

degradación de desechos lignocelulosos.

Dentro de las ventajas de los tratamientos

biológicos está el hecho de que se utilizan

condiciones de reacción no agresivas, menor

demanda de energía y menor espacio de

reacción; sin embargo, los rendimientos son

bajos.

Cuadro 2. Diferentes pre-tratamientos de la biomasa lignocelulósica

Método Procedimiento Remarcas Ejemplo

Físico/térmico Mecánico Molienda Bagazo de caña, desechos forestales

Pirólisis T > 300ºC, enfriamiento y condensación Desecho de maíz, desecho de algodón

Químico/térmico Acido diluido H2SO4: 0.75-5%, HCl, HNO3

Bagazo, desecho de maíz, cáscara de arroz, trigo

Acido concentrado H2SO4: 10-30% Arbolillo dioico (poplar), bagazo Álcali NaOH diluido, Ca(OH)2,H2O2 Madera, bagazo, desecho de maíz

Físico-Químico/térmico

AFEX Amonio 1-2/kg de masa seca; 90ºC (30 min); p= 1.20 MPa

Bagazo, desecho de maíz, cáscara arroz

Explosión con CO2 4 kg CO2/kg fibra, p=5.6 MPa Bagazo, alfalfa, desecho de papel

La finalidad del pretratamiento de la

biomasa lignocelulósica es que la celulosa sea

accesible a la acción de enzimas hidrolíticas

alterando la pared celular lignocelulósica

(Hendricks y Zeeman, 2009).

Los efectos del pretratamiento

incluyen:

a) Un incremento en la accesibilidad del

área de superficie de la biomasa

lignocelulósica.

b) Decristalización de la celulosa.

c) Depolimerización parcial de la

celulosa.

d) Solubilización de la lignina y/o

hemicelulosa.

1254


e) Y modificación de la estructura de la

lignina.

Por otro lado, se conoce que los

materiales lignocelulósicos son recalcitrantes

a descomposición por pretratamiento. Esto

genera compuestos que son inhibitorios a los

organismos involucrados en la fermentación.

Los inhibidores típicos son los furaldehídos

2-furaldehído (furfural) y 5-hidroximetil-2-

furaldehído (HMF), ácidos débiles tales como

el ácido acético, ácido fórmico y el ácido

levulinico. Además, los compuestos fenólicos

tales como la vanilina, siringaldehído y

coniferil aldehído, también presentan ciertos

problemas durante el proceso de

fermentación (Modig y col., 2008).

1255

3. Microorganismos y enzimas involucradas en la degradación de biomasa lignocelulósica

Los hongos y las bacterias han sido

ampliamente explotados por sus capacidades

para producir enzimas que participan en la

degradación de biomasa lignocelulósica

(celulasas y hemicelulasas).

Algunos hongos con mucha actividad

celulolítica pertenecen a los géneros

Aspergillus, Hisopas, Penecillos. En bacterias

los géneros Bacillos, Clostridium y

Streptomyces también presentan gran

capacidad para degradar celulosa (Cuadro 3)

(Ravinovich y col., 2002). Para hemicelulosa

los hongos degradadores del género

Aspergillus son los más abundantes. Dentro

de las bacterias con mayor actividad

hemicelulolítica están Clostridium, Bacillus y

thermoanaerobacter (Cuadro 4) (Ravinovich

y col., 2002).


Cuadro 3. Lista de hongos y bacterias con mayor actividad específica (μmol/min.mg) para celulosa. (modificado de Howard y col., 2003)

Enzima Organismo Substrato Actividad específica

Temperatura (ºC) pH

1, 3-β-glucano gluchohidrolasa

Achlya busexualis /laminarin /glucano

neutral

Fosfoglucano 7840 30 6

1, 3-1, 4-β-D- glucano

glucohidrolasa

Orpinomyces sp. Β-D-glucano /lichenin 3659 45 5.8

1-3-β-D- glucano glucohidrolasa

Rhizpous chinesis D-β glucano 4800 NA NA

Manasa endo- 1, 4-β monosidasa

Bacillus subtillis Galactoglucomanasa/ glucomanasa/

manasa 514 50-60 5-7

Celulasa Clostridium thermocellum

Avicel/ carboxilmetil celulosa/celulosa

celopentosa/celotriosa 428 75 7

1, 3-1, 4-β-D- glucano

glucohidrolasa

Bacilllus macerans Dβ-D glucano/ lichenan 5030 60-65 6

Cuadro 4. Lista de hongos y bacterias con mayor actividad específica (μmol/min.mg) para hemicelulosa. (modificado de Howard y col., 2003)



Endo-1,4-β-xilinasa

Trichoderma alogibrachiatum

1, 4-β-D-xilan 6630 45 5

α-galactosidasa

Montierella vinacea Melobiosa 2000 60 4

Endo-galactanasa Aspergillus niger NA 6593 50-55 3.5 Endo-1, 4-β-

xilinasa Bacillus pumilis Β-1, 4-D-xilan 1780 40 6.5

β-1, 4-xillosidasa Thermoanaerobactet hanolicus

o-nitro fenil-β-D- xilopiranoside 1073 93 6

α-galactosidasa Escherichia coli Rafinosa 27350 60 6.8 β-glucosidasa Bacillus polymya 4-nitro fenil-β-D-

glucopiranoside 2417 NA NA

Actil-xilan esterasa

Fibrobacter Acetilxilan/ dα-naftil 2933 47 7

Trichoderma reesei se ha utilizado

ampliamente de manera comercial para la

producción de celulasas y hemicelulasas. Sin

embargo, T. reesei no puede degradar lignina.

En cambio, algunos hongos del grupo de los

basidiomycetes (en especial, Phanerochaete

chrrysosporium) son muy buenos

degradadores de este compuesto ya que

tienen enzimas peroxidasas que permiten

degradar la lignina Otros microorganismos

1256


degradadores, aunque menos estudiados son:

Stropharia, Botritys, Daedalea flavida,

Phlebia fascicularia, P. floridensis y P.

radiat, degradan selectivamente la paja de

trigo y podrían ser muy buenos prospectos

para utilizarse en la conversión

biotecnológica de la lignina (Cuadro 5).

(Ruggeri y Sassi, 2003).

Cuadro 5. Lista de hongos con mayor actividad específica (μmol.min-1.mg-1) para lignina (modificado de Howard y col., 2003)



Manganasa peroxidasa

Stropharia coronilla

Mn2++H++H2O2 69 25 NA

Lacasa Montierella vinacea

1,2,4-benzenetriol + O2/1-naftol + O2/2-naftol + O2/3,5 – dimethoxy-hidroxy-benzaldazine + O2/ 4,5 – dimetil-o-fenilenediamine + O2/4-animo-N,N’ – dimetilaniline + O2/4 – metilcatecol + O2/ascorbato + O2/acido cafeico + O2/ catecol + O2/ acido galico + O2 guaiacol

5778 55 4

También los actinomicetos

Thermomonospora y Microbispora degradan

lignina. Por otro lado, las bacterias podrían

tener mucho más potencial en esta tarea;

especialmente porque es mucho más fácil

estudiar sus vías metabólicas, son mucho más

fáciles de reproducir y de transformar; por lo

que se les puede conferir la capacidad de

degradar específicamente determinados

compuestos recalcitrantes (Pérez y col.,

2002). Dentro de las bacterias con actividad

lignodegradadora se encuentran los géneros

Streptomyces, Cellulomonas, Pseudomonas,

además de bacterias que utilizan un complejo

enzimático celulolítico (celulosoma), como

Clostridium thermocellum y Ruminicoccus

(González y col., 2005). Las bacterias con

celulosoma han recibido gran atención,

principalmente porque pueden ser fuente de

genes lignicelulolíticos que se podrían utilizar

en ingeniería metabólica.

Por otro lado, el aislamiento y

caracterización de nuevas glucosil hidrolasas

a partir de bacterias han tomado gran

atención; principalmente porque:

1. Las bacterias presentan una velocidad

de crecimiento mayor que los hongos,

1257


permitiendo una alta producción de la

enzima recombinante.

2. Las glicosil hidrolasas de bacterias son

a menudo más complejas y son

expresadas en complejos multi-

enzimáticos, incrementando su función

y sinergia.

1258

3. Las bacterias habitan en una amplia

variedad de ambientes y nichos

industriales, lo cual las hace resistentes

a diferentes ambientes.

4. Estos microorganismos pueden

producir enzimas que son estables bajo

condiciones extremas, pueden estar

presentes en el proceso de

bioconversión y esto puede aumentar

las velocidades de hidrólisis

enzimática, fermentación y

recuperación de producto. Muchos

investigadores están enfocados en la

utilización y mejoramiento de estas

enzimas para el uso en la industria de

los biocombustibles y bioproductos.

Existen solamente dos modos de

acción para la hidrólisis de celulosa por

celulasas, con la inversión o retención de la

configuración del carbono anomérico. El

modo de acción más común para celulasas

sobre polímeros es el anclaje exo o endo y

todas las celulasas especificas a las uniones

β-1,4-glicosídicas (Maki y col., 2009).

Por otra parte, el cultivo de bacterias

termófilas presentan grandes ventajas para el

tratamiento de biomasa lignocelulósica, tales

como: (1) reducen los riesgos de

contaminación, (2) reducen la viscosidad,

facilitando el mezclado, (3) aumentan el

grado de solubilidad del sustrato, mientras

que reducen los costos de enfriamiento.

Las bacterias también son capaces de

producir estructuras de proteínas complejas

como por ejemplo enzimas para la hidrólisis

de celulosa, tales como: celulosa, xilosoma y

enzimas bifuncionales o multifuncionales que

tienen actualmente muy alto impacto en la

industria.

Se sabe que grandes cantidades de

enzimas se necesitan para liberar la mayoría

de los azúcares de la biomasa lignocelulósica

(25 kg de enzima/ton de celulosa,

aproximadamente) (Houghton y col., 2006).

Estos requerimientos aumentan los costos en

la producción de combustibles celulósicos.

Finalmente, esta situación conduce a la

búsqueda de enzimas glicosil hidrolasas a

partir de otras bacterias, hongos y fuentes

inexploradas como las termitas (Warnecke y

col., 2007).

4. Bioprocesos

Hoy en día el etanol, el biodiesel y el biogás

constituyen los tres mayores productos

bioenergéticos. La Figura 4 muestra los

diferentes sistemas de producción. El etanol


1259

puede ser producido a partir de almidón

(maíz) y azúcar (caña de azúcar), son

hidrolizados en monosacáridos y

posteriormente fermentados en etanol. Otro

proceso para la obtención de etanol es la

utilización de la biomasa lignocelulósica, hay

un pretratamiento de la biomasa, hidrólisis

para la producción de monosacáridos y

fermentación. Por otro lado, en la producción

de biodiesel interviene la transesterificación

de ácidos grasos. Finalmente, la biomasa

puede utilizarse para producir metanol,

monóxido de carbono, hidrógeno y otros

gases a través de procesos de gasificación

(Figura 4).

Figura 4. Métodos de producción de biocombustibles (Yuan y col., 2008)

4.1. Bioetanol El etanol y el biodiesel pueden ser

usados como combustibles para transporte;

además, el etanol es importante materia prima

en la industria química.

El etanol, también conocido como alcohol

etílico y/o bioetanol, es el biocombustible

líquido más empleado, ya sea como

combustible o como potenciador de la

gasolina.

El etanol es uno de los mejores

prospectos para la producción biológica a


partir de materia prima lignocelulósica, tal

como residuos forestales, agrícolas, urbanos o

cosechas energéticas. Sin embargo, la

tecnología y procesos usados actualmente

presentan ciertos obstáculos técnicos y

económicos para la producción a gran escala

(Himmel y col., 2007).

1260

Este alcohol presenta algunas ventajas

cuando se usa como oxigenante: 1) el alto

contenido de oxígeno implica menos

cantidades de aditivo. 2) el incremento en el

porcentaje de oxígeno permite una mejor

oxidación de los hidrocarbonos de la gasolina

con la consecuente reducción de las

emisiones de CO2 y compuestos aromáticos

(Cuadro 6).

El proceso convencional para producir

etanol a partir de biomasa lignocelulósica

incluye cuatro etapas principales (Margeot y

col., 2009):

1. Pretratamiento: rompe la estructura de

la matriz lignocelulósica.

2. Hidrólisis enzimática:

despolimerización de celulosa a

glucosa por medio de enzimas

celulolíticas.

3. Fermentación: metabolizando la

glucosa en etanol, generalmente por

cepas de levaduras.

4. Destilación-rectificación-

deshidratación: separación y

purificación de etanol a las

especificaciones del combustible.

El éxito en la producción a gran escala

de etanol a partir de lignocelulosa depende de

la relación entre el diseño de procesos y el

microorganismo.

El rendimiento del etanol es del 25%

más energía que la energía invertida en su

producción. En comparación con los

combustibles fósiles, el etanol reduce las

emisiones de efecto invernadero en un 12%.

4.1.1. Fermentación y metabolismo típico de Saccharomyces

El microorganismo más empleado para la

producción de etanol es Saccharomyces

cerevisiae, esto se debe a su capacidad para

hidrolizar sacarosa de la caña en glucosa y

fructosa, dos hexosas fácilmente asimilables

por esta levadura. Pichia stipitis o diversas

especies de Candida son utilizadas para la

degradación de pentosas. Bajo condiciones

óptimas S. cerevisiae puede producir hasta

un 10-12% de etanol. Utilizando levaduras

especiales se ha llegado hasta 20% (Demain,

2009).

La aireación es un factor importante en

el crecimiento y en la producción de etanol

por S. cerevisiae. Este microorganismo

requiere pequeñas cantidades de oxígeno para

la síntesis de sustancias como ácidos grasos y

esteroles. El oxígeno puede ser suministrado

mediante la adición al medio de algunos


químicos como urea peróxido de hidrógeno

(peróxido de carbamida), el cual también

contribuye a la reducción de contaminantes

bacterianos (Narendranath y col., 2000).

1261

4.1.2. Procesos de producción de etanol

Diferentes sistemas de producción son

utilizados para la fabricación de etanol. En

los siguientes párrafos se presentan las

principales características de cada proceso.

Fermentación tipo Batch: el proceso

Melle-Boinot es el típico proceso para la

producción de bioetanol en fermentación por

lote (batch). Este proceso comprende el peso

y la esterilización de la materia prima,

seguido por el ajuste del pH con H2SO4, la

concentración y medición de azúcares

(grados Brix entre 14-22). El mosto obtenido

es fermentado por las levaduras. El vino

producido es decantado, centrifugado y

enviado a la etapa de separación del etanol,

mientras que las levaduras son recicladas a la

fermentación hasta alcanzar alta

concentración celular durante el cultivo

(Kosaric y Velikonja, 1995).

Fermentación tipo Fed-batch: este

cultivo implica bajos niveles de

concentración de sustrato durante la

fermentación, mientras que el etanol es

acumulado en el medio. En este tipo de

cultivo hay recirculación de células y es la

tecnología más empleada en Brasil para la

producción de bioetanol ya que se obtienen la

mayor productividad volumétrica.

El control del flujo del medio es una

ventaja ya que neutraliza el efecto inhibitorio

causado por elevadas concentraciones de

sustrato y/o producto en el medio de

fermentación. En este tipo de cultivo, la

alimentación juega un papel muy importante

sobre la productividad y el rendimiento en

etanol (Cardona y Sánchez, 2007).

Por otro lado, Alfenore y col., (2004)

mostraron que la mayor concentración de

etanol (147 g/L) se puede obtener en cultivo

sin limitación de oxígeno (0.2vvm) durante

solamente 45 h de fermentación, en

comparación con condiciones de

microaerobiosis.

La producción de etanol también se

puede llevar a cabo por medio de

fermentaciones tipo batch y múltiples. La

cepa de levaduras está floculando en el medio

de cultivo. El mecanismo de estas

fermentaciones es el siguiente: se inicia con

una fermentación convencional, las levaduras

son decantadas en el mismo vaso donde

fueron cultivadas, se remueven del caldo de

fermentación. Enseguida, una cantidad igual

de medio de cultivo fresco es adicionado para

el siguiente cultivo por lote (batch), se

alcanzan elevadas concentraciones y el efecto

de inhibición por etanol es reducido sin la


necesidad de adicionar agentes floculantes,

separación o envases de recirculación. Estos

cultivos por lote se pueden llevar a cabo hasta

el momento en el que la actividad y

viabilidad del cultivo se pierde como

consecuencia de una elevada exposición al

medio ambiente de la fermentación; cuando

esto ocurre, el sistema podría ser reinoculado.

1262

Proceso continuo: la fermentación en

continuo presenta varias ventajas sobre los

procesos tradicionales tipo batch ya que

disminuye los costos de construcción del

biorreactor, los requerimientos de

mantenimiento y operación son menores,

existe un mejor control del proceso y presenta

elevadas productividades. Debido a esto, el

30% del etanol producido en Brasil es a partir

de la fermentación en continuo (Monte

Alegre y col., 2003).

La mayoría de estas ventajas se deben

a las elevadas concentraciones celulares

encontradas en este proceso. Tales densidades

se pueden alcanzar por técnicas de

inmovilización.

4.1.3. Inconvenientes en la fermentación

Durante la fermentación de azúcares

derivados de la biomasa lignocelulósica se

producen ciertos compuestos inhibidores que

tienen un efecto negativo durante la

fermentación. Usualmente, existen dos

alternativas para reducir el impacto de

inhibidores sobre los procesos de

fermentación. Uno de ellos es introducir

etapas de procesos biológicos, químicos o

físicos para remoción o inactivación de

inhibidores. El otro es mejorar la tolerancia

de las levaduras fermentativas a los

inhibidores.

Evidentemente, los métodos físicos y

químicos de detoxificación son efectivos pero

costosos. Por otro lado, los métodos

biológicos aplicados en la inactivación del

metabolismo in situ de inhibidores o en el

desarrollo de levaduras más resistente al

estrés son menos costosas (Yan y col., 2009).

4.2. Butanol

Otro alcohol primario que presenta también

potencial como biocombustible es el butanol,

el cual está constituido por cuatro átomos de

carbono.

Comparando el etanol con el butanol

podemos observar que este último alcohol

podría ser una muy buena alternativa como

biocombustible ya que puede combinarse con

gasolina hasta en un 40%, no es corrosivo y

es mucho menos hidrofílico y volátil que el

etanol, por lo que puede distribuirse en los

dispositivos convencionales (oleoductos), de

la misma manera que la gasolina. Además,

presenta 30% mayor densidad energética que


el etanol (37 vs 27 kJ/g), presenta una mejor

relación aire/combustible, lo que significa

una mejor combustión (Dürre, 2007;

Demain, 2009). (Cuadro 6). Sin embargo, el

etanol presenta un mayor octanaje lo cual

permite obtener la máxima cantidad de

energía útil durante la combustión,

reduciendo de esta forma la cantidad de

contaminantes a la atmósfera.

1263

Cuadro 6. Comparación de etanol versus butanol

combustible Contenido energético

(kJ/L) Relación

aire/combustible Número de

octanaje

Etanol 27.0 3.0 129 Butanol 37.0 11.2 96

El butanol es más tóxico para los

microorganismos que el etanol. Por ejemplo,

Clostridium soporta concentraciones de

butanol de 13 g/L (Fisher y col., 2008),

mientras que Saccharomyces tolera

concentraciones superiores a 140 g/L de

etanol.

4.2.1. Fermentación y metabolismo típico de Clostridium

El n-butanol es un producto de la

fermentación de Clostridium acetobutylicum

y Clostridium bjerinkci. Es producido a partir

de acetil-CoA a través de la dimerización de

dos moléculas de acetil-CoA en acetoacetil-

CoA. Varias enzimas están implicadas en este

proceso, las cuales permiten la reducción y

deshidratación de acetoacetil-CoA en ácido

butírico. El butirato puede ser re-

metabolizado para dar n-butanol.

Clostridium puede utilizar desechos

celulósicos y producir ciertos alcoholes ya

que tiene un sistema complejo de enzimas

especializadas para la degradación de

celulosa, el “celulosoma”. Generalmente se

usan bacterias termófilas porque el proceso es

más eficiente para la remoción y recuperación

de productos volátiles como el alcohol (Pérez

y col., 2002). Clostridium es excelente para la

sacarificación y fermentación simultánea

(SSF) (Chandrakant y Bisaria, 1998) ya que

produce enzimas celulolíticas que permiten la

sacarificación y la producción de etanol. Sin

embargo, Clostridium no puede degradar

pentosas y su complejo enzimático lo hace

difícil de modificar genéticamente, por lo que

se ha recomendado utilizarla en combinación

con otro microorganismo que sea capaz de

fermentar pentosas.

4.3. Modificación genética de microorganismos productores de biocombustibles

En los últimos años diversos investigadores

se han dedicado a desarrollar cepas de

levaduras y bacterias con la capacidad de

utilizar todos los azúcares obtenidos en la


degradación de la biomasa lignocelulósica.

Además de obtener cepas microbianas que

utilicen todos los azúcares, éstas deben de ser

resistentes a los compuestos producidos

durante la degradación de la biomasa

(Peterson y col., 2008).

1264

S. cerevisiae ha sido sometido a

diversas transformaciones moleculares con el

fin de aumentar su porcentaje de producción

de alcohol; se eliminó el gen de la glicerol-3-

fosfato deshidrogenasa y se sobreexpresó el

gen de glutamato sintasa para mejorar la

relación de los agentes reductores dentro de

la ruta metabólica, lo que le permitió a S.

cerevisiae aumentar la producción de etanol

(Kong y col., 2007). También se han

modificado las bacterias Escherichia coli y

Klebsiella oxytoca para producir etanol en

lugar de ácidos orgánicos. Se clonaron y

expresaron los genes de la alcohol

deshidrogenasa y la piruvato descarboxilasa

de Zymomonas mobilis en E. coli y K.

oxytoca, E coli produjo hasta 60 g de etanol

por 100 g de celulosa y K. oxytoca 47 g de

etanol por de 100 g de celulosa (Doran e

Ingram, 1993; Yamano e Ingram 1998)

(Cuadro 7).

Cuadro 7. Principales bacterias y levaduras con capacidad de convertir azúcares a etanol

Cepa Concentración de etanol producido

(g/l) Referencia

Escherichia coli (genéticamente modificada)

60/100 g celulosa Yomano e Ingram, 1998

Klebsiella oxytoca (genéticamente modificada)

47/100 g celulosa Doran e Ingram, 1997

Zymomonas mobilis

21-34/100 celulosa/ hemicelulosa

Bothast y col., 1999

Clostridium thermocellum 26 g/100 g celulosa Lynd y col.,

2005 Saccharomyces cerevisiae 1-041-S

25-50 / 100 g sacarosa

Leticia y col., 1997

Candida utilis 44.4/100 g glucosa Vallet y col., 1996

La ingeniería metabólica puede jugar

un papel muy importante en el mejoramiento

de la producción de biocombustibles.

Específicamente, para la producción de

biodiesel la ingeniería metabólica podría

ayudar a incrementar el contenido de aceite y

modificar la composición de las semillas.

Varias investigaciones reportan un aumento

en la producción de lípidos por la expresión

inducida de genes exógenos que son clave en

la biosíntesis de lípidos.

En lo que se refiere al mejoramiento en

la producción de azúcares para la producción

de etanol, el uso de la ingeniería metabólica

ha permitido aumentar el rendimiento de

azúcares. Recientes investigaciones

mostraron que la expresión de la enzima

sacarosa isomerasa de bacterias en vacuolas


duplicó el rendimiento de sacarosa de la caña

de azúcar.

Globalmente, la biotecnología de

plantas juega un papel crucial en la siguiente

generación de los bioenergéticas para

producir materias primas lignocelulósicas con

alto rendimiento, mejor eficiencia en el uso

de agua, mayor ganancia neta de energía,

bajos niveles recalcitrantes, aumento en la

tolerancia de estrés abiótico y mejoramiento

en los beneficios ecológicos, así como

también en la fijación de carbono, agua y

conservación del suelo.

1265

4.4. Biodiesel

El biodiesel es un combustible que requiere

una tecnología de producción simple

comparado con el requerido por el etanol. El

biodiesel es una mezcla de combustible diesel

con el aceite de las semillas de plantas, algas

o otras fuentes biológicas como grasas

animales, las cuales tienen que ser

transesterificadas para eliminar el glicerol

(Yuan y col., 2008). Una gran variedad de

especies de plantas son utilizadas actualmente

para la producción de biodiesel, incluyendo

soya, canola, girasol y palma. Después de que

el aceite ha sido extraído, es transesterificado

para obtener metil biodiesel o ésteres etílicos

como productos.

Las fuentes y las formas de biodiesel

pueden ser diversas y esto depende de

factores ambientales y económicos.

4.5. Biogás

El biogás representa el tercer biocombustible

de la modernidad. Es producido a partir de

una gran variedad de desechos orgánicos y se

puede utilizar para producir gas natural o

electricidad, así como metano, hidrógeno y

monóxido de carbono. La gasificación

presenta un balance neto de energía bajo, lo

que ocasiona limitaciones en producción

(Börjesson y Berglund, 2006).

Por otro lado, la producción de

hidrógeno por algas verdes y microbios se ha

propuesto como una excelente fuente de

combustibles de tercera generación.

4.6. Algas

Las microalgas son microorganismos

fotosintéticos que convierten la luz del sol, el

agua y el dióxido de carbono en biomasa.

Muchas de las microalgas existentes son

excesivamente ricas en aceite que puede ser

convertido en biodiesel. Las microalgas

juegan un importante papel para disminuir el

uso de combustibles derivados del petróleo,

sin usar además cosechas dedicadas a la


1266

alimentación, así como otros productos

agrícolas.

El contenido de aceite en algunas

microalgas excede el 50-70% del peso seco

de la biomasa de las algas. Por otro lado, se

sabe que la soya y la palma se utilizan

actualmente para la producción de biodiesel

debido a su contenido de aceite; sin embargo,

estos cultivos sólo contienen 5% de aceite del

total de la biomasa, lo que es mucho menos

que la cantidad encontrada en las microalgas.

Otra gran ventaja de las microalgas es que

crecen rápidamente y generalmente duplican

su biomasa en 24 horas. En la Figura 5

(Chisti, 2008) se presentan algunos de los

usos de las microalgas. Como podemos

observar, la producción de biomasa requiere

de luz, dióxido de carbono, agua y nutrientes

inorgánicos. El agua y los nutrientes

residuales se recuperan y se pueden reciclar

para la siguiente etapa (cultivo de biomasa).

La biomasa concentrada es extraída con un

solvente (generalmente hexano) inmiscible

en agua para recuperar el aceite de las algas,

este aceite se puede convertir en biodiesel. La

biomasa residual que permanece después de

esta etapa se puede usar para alimentación

animal debido a su alto contenido de

proteínas. También la biomasa residual se

puede emplear para la producción de biogás

a través de digestión anaeróbica. El biogás

producido se puede usar en dos caminos: 1)

como fuente primaria para la producción y

procesamiento de la biomasa de algas y 2)

para la generación de electricidad. El dióxido

de carbono generado de la combustión de gas

también se puede reciclar directamente para

la producción de biomasa de algas.

Figura 5. Bioenergéticos a partir de microalgas (Chisti, 2007).


Las microalgas se pueden crecer en

diversos fotobioreactores; sin embargo, los

tubulares son los más adecuados. Con

respecto a las especies de algas utilizadas,

Gouveia y Oliveira (2009) mostraron que la

microalga de agua dulce Neochloris

oleabundans y la microalga de agua salada

Nannochloropsis sp. son las mejores para la

producción de biocombustible, esto se debe a

su elevado contenido de aceite (20-35 y 31-

68%, respectivamente). Otra ventaja de estas

algas es que pueden asociarse con otras

microalgas que produzcan aceite y/o con

aceites vegetales.

1267

El uso de la ingeniería metabólica y la

genética ha proporcionado un impacto

positivo en la producción de microalgas, lo

que ha impactado disminuyendo los costos de

producción de diesel a partir de algas (Walker

y col., 2005). No obstante, futuras

investigaciones son necesarias para: a)

aumentar la eficiencia fotosintética e

incrementar el rendimiento de la biomasa, b)

incrementar la velocidad de crecimiento de

las algas, c) elevar el contenido de aceite en

la biomasa y d) mejorar la tolerancia de las

algas a factores ambientales (temperatura,

pH, oxigeno, entre otros).

5. Tendencias

Los combustibles líquidos para transporte

derivados de fuentes renovables

lignocelulósicas ofrecen características únicas

y deseables:

a. Fuente inagotable y segura de

suministro.

b. No al uso de alimentos para la

producción de biocombustibles.

c. Más bajo uso de combustible fósil.

La aplicación de nuevos sistemas de

modificación enzimática para la hidrólisis de

celulosa, la construcción de cepas de

levaduras industriales capaces de fermentar

pentosas y tolerantes a inhibidores,

combinado con la integración de procesos

optimizados es un prometedor panorama,

mejorando el fututo y la tendencia a usar

biocombustibles.

Con respecto a los microorganismos,

es necesario el desarrollo de una cepa

industrial eficiente para lo que se requiere el

conocimiento de factores fisiológicos, la

tolerancia al producto final y a los

compuestos inhibitorios. Por otro lado, para

mejorar la viabilidad de la degradación del

complejo lignina-celulosa la posibilidad es

que las enzimas deberían de tener una alta

capacidad de absorción, elevada eficiencia

catalítica, alta estabilidad térmica y baja

inhibición por producto final (Maki y col.,

2009). Además, el aislamiento y


caracterización de bacterias productoras de

celulasas podría ser otro importante aspecto

en la investigación de biocombustibles.

Actualmente, las modificaciones sobre

celulasas bacterianas a través de ingeniería de

proteínas han tomado gran auge en la

producción de enzimas hidrolíticas usadas en

un amplio grado en las industrias.

La producción a gran escala de

biocombustibles celulósicos requiere de la

integración y el conocimiento de muchas

disciplinas. A corto plazo la mayor

investigación se sitúa en encontrar especies

de cultivos que sean efectivos para la

producción de biocombustibles a partir de

biomasa lignocelulósica, además de evaluar

aspectos ambientales y económicos. A largo

plazo muchas oportunidades existen para

modificar cosechas energéticas con respecto a

aspectos agronómicos relacionados a la

composición de la biomasa (Carol y

Somerville, 2009).

La aplicación de la biología sintética

en la producción de biocombustibles es de

suma importancia ya que nos permite generar

nuevas vías metabólicas, así como

mecanismos que contribuyan a aumentar la

producción de etanol y butanol; además, a

incrementar la tolerancia a los solventes y

condiciones ambientales. Por lo tanto, con el

uso de la biología sintética obtendríamos

procesos más efectivos y menos costosos

(French, 2009). El uso de las técnicas

llamadas “omics” podría ayudar a entender

los genes, las proteínas y los metabolitos

implicados en la degradación de la biomasa

lignocelulósica, lo cual proporcionará

mejoramientos en los procesos actuales.

Otra tendencia es lograr un bioproceso

consolidado (CBP) en el que se produce la

hidrólisis de la biomasa y la fermentación de

los azúcares en un solo paso, resultando en

los productos deseados y de manera eficiente

(Stephanopoulos, 2007). A pesar de múltiples

esfuerzos, esto no se ha logrado, sobretodo

porque no se conocen con claridad los

mecanismos de degradación de compuestos

lignocelulósicos (Lynd y col., 2005).

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biocombustibles - biomasa lignocelulosica y procesos de produccion

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