Investigación

http://www.nnfcc.co.uk/news/advanced-biofuels-needed-to-meet-uk-renewable-transport-targets?utm_source=NNFCC+Mailing+List&utm_campaign=dbaf3e50e1-DfT_project_press_release15_11_2011&utm_medium=email
http://www.thebioenergysite.com/news/9988/biofuels-needed-to-meet-transport-targets

Un reciente informe del Centro Nacional de Energías, Combustibles y Materiales Bio-renovables del Reino Unido señala que este país «ha de realizar una inversión importante en una nueva generación de biocombustibles para cumplir sus objetivos en el campo de los transportes renovables». En virtud de la Directiva sobre energía renovable, el Reino Unido está obligado a cumplir el objetivo de que el 10 % de su consumo energético provenga de fuentes renovables. En virtud de la Directiva sobre calidad de los combustibles, los proveedores de combustibles o energía para transportes terrestres y máquinas móviles no de carretera también deben reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) al menos un 6 % por unidad de energía. El informe señala que las nuevas tecnologías de transformación de biomasa, como la gasificación y la pirólisis, «permiten fabricar biocombustibles a partir de una gran variedad de materiales sostenibles». Algunas de estas tecnologías comienzan a «desarrollar su enorme potencial», a medida que se produce la transición desde el laboratorio hacia las aplicaciones piloto y comerciales. En circunstancias favorables y con un firme apoyo político, se estima que los biocombustibles avanzados alcanzarán el 4,3 % del objetivo de transportes renovables del Reino Unido en 2020. Se calcula que harán falta 1 millón de toneladas de biomasa leñosa, 4,4 millones de toneladas de residuos domésticos y comerciales/industriales y 2 millones de toneladas de trigo (para producir biobutanol). Se ha publicado un resumen del informe en la página web del NNFCC.

Procesos y producción

http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/54/abstract

Investigadores de la Universidad de São Paulo (Brasil) describen los cambios químicos y morfológicos que sufre el bagazo de caña de azúcar sometido a un pretratamiento secuencial que supone la adición de un ácido y un álcali en dos fases. El pretratamiento suele ser el primer paso en la producción de etanol biocombustible a partir de masa lignocelulósica. El proceso «deconstruye» las estructuras de las paredes celulares de la biomasa vegetal, de manera que se pueda transformar más fácilmente en azúcares fermentables para producir etanol. El estudio está entre los pocos que tratan de determinar los cambios morfológicos y químicos que sufre la biomasa tras el pretratamiento. La finalidad de la primera fase de tratamiento ácido (que utiliza ácido sulfúrico diluido al 1 % a una temperatura de 121 °C durante 40 minutos) era eliminar el componente de hemicelulosa de la biomasa. La segunda fase de tratamiento alcalino con diferentes concentraciones de hidróxido de sodio (NaOH) (también a 121 °C durante 40 minutos) era eliminar el componente de lignina. El residuo que queda del tratamiento secuencial es el componente rico en celulosa de la biomasa, que puede transformarse fácilmente (por hidrólisis o sacarificación) en azúcares fermentables en etanol. Los resultados demuestran que se elimina el 96 % de la hemicelulosa con el tratamiento ácido, mientras que se elimina el 85 % de la lignina con el tratamiento alcalino (NaOH) a concentraciones del 1 % o superiores. El rendimiento celulósico en estas condiciones fue del 72 %. Los investigadores concluyen que la mejora en la conversión de la celulosa (en azúcares fermentables en etanol) se debe principalmente a la deslignificación. La eliminación de la lignina mediante el método de pretratamiento en dos fases se atribuye a: (1) «una pérdida de cohesión entre las paredes celulares contiguas que inicialmente estaban unidas por la lignina» y (2) la destrucción del interior de la pared celular (formación de vacíos) que expone mayor cantidad de celulosa al ataque enzimático. El estudio completo se ha publicado en la revista de acceso libre Biotechnology for Biofuels.

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http://ncsu.edu/bioresources/BioRes_06/BioRes_06_3_3242_Klasson_ULB_Feas_Remov_Furfurals_Biochar_Ag_Residues_1662.pdf

El tratamiento ácido es un método habitual y económico de pretratamiento de la biomasa lignocelulósica para producir etanol biocombustible. Uno de los posibles efectos del pretratamiento ácido es la formación de compuestos que podrían ser inhibitorios de los microorganismos que fermentan el etanol. La deshidratación de las hexosas y las pentosas de la biomasa tras el pretratamiento ácido puede dar lugar a la formación de una clase de compuestos inhibitorios denominados furanos: (1) furfural por la deshidratación de pentosas e (2) hidroximetilfurfural (HMF) por la deshidratación de hexosas. La degradación posterior de los furfurales puede producir ácidos orgánicos, que también es conocido que inhiben la fermentación del etanol. Los investigadores del Centro de Estudios Regionales del Sur perteneciente al Servicio de Investigación Agrícola (ARS) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA) han descrito la eliminación de los furanos utilizando «biocarbón activado». El biocarbón activado se obtuvo de la pirólisis (calentamiento sin aire) y posterior activación química de residuos agrícolas, como la cáscara de la semilla del algodón, la agramiza de lino y los residuos de las desmotadoras de algodón. Los carbones se probaron con soluciones modelo que contenían furfural y HMF. Los resultados demuestran que los biocarbones activados con ácido fosfórico y los biocarbones activados con vapor obtenidos de los residuos de producción de algodón y lino son capaces de adsorber furfural y HMF, siendo los biocarbones activados con vapor los que dan mejor resultado. Añadiendo un 2,5 % de biocarbón a una solución de azúcar que contenga 1 g por litro de furfural o de HMF, la eficiencia de eliminación de furanos puede ser del 99 %. El estudio completo se ha publicado en la revista Bioresources.

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http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/56/abstract

El biodiésel es esencialmente una mezcla de compuestos conocidos como «metilésteres» y suele producirse por la reacción catalizada por un ácido o base entre metanol y aceite vegetal. Esta reacción suele denominarse «transesterificación». Es un hecho reconocido que las soluciones ácidas o alcalinas «homogéneas» que se utilizan convencionalmente como catalizadoras de la reacción de transesterificación crean problemas, como por ejemplo: (1) dificultades para separar los catalizadores, (2) corrosión del reactor, (3) contaminación del biodiésel con azufre, y (4) formación de jabón. Se dice que la catálisis sólida en un sistema de reacción «heterogéneo» tiene la ventaja de que facilita la separación del producto en comparación con los catalizadores homogéneos. También se dice que los catalizadores sólidos ofrecen prestaciones catalíticas comparables a las de los catalizadores homogéneos y producen menos contaminantes. Científicos de la Universidad Kebangsaan de Malasia y de la Academia China de Ciencias describen el uso de un catalizador ácido sólido derivado de la lignina para la transesterificación de aceite de jatrofa de alto valor ácido. Los aceites vegetales de alto valor ácido contienen grandes cantidades de ácidos grasos y por ello suele ser necesaria una reacción de esterificación ácida para producir biodiésel. El catalizador sólido se obtuvo sometiendo la lignina a un tratamiento con ácido fosfórico, seguido de pirólisis (calentamiento sin oxígeno) a 400 °C para obtener un carbón sólido y de una sulfonación posterior con ácido sulfúrico concentrado. Cuando se probó el catalizador sólido en la transesterificación de ácido oleico, se obtuvo una eficiencia de conversión del 96,1 %. No se observó desactivación cuando se reutilizó el catalizador tres veces. Cuando se probó en el proceso de transesterificación en un solo paso de aceite bruto de jatrofa con un alto valor ácido, se obtuvo un rendimiento de biodiésel del 96,3 %. El estudio completo se ha publicado en la revista de acceso libre Biotechnology for Biofuels.

Materias primas

http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/55/abstract

Una de las estrategias que se plantean con el fin de reducir el coste de pretratamiento de la biomasa lignocelulósica para la producción de etanol biocombustible es el uso de materias primas bajas en lignina. El pretratamiento suele ser el primer paso del proceso de conversión en bioetanol, que esencialmente deconstruye la biomasa celular vegetal, antes de la producción de etanol. Suele ser un proceso que consume mucha energía y aumenta notablemente el coste de producción. Brasil es uno de los países líderes en la producción de etanol biocombustible a partir de jugo de caña de azúcar. Ha puesto en marcha sus propios programas de fitomejoramiento para desarrollar caña de azúcar baja en lignina, en un intento de utilizar el bagazo de caña de azúcar como materia prima bioenergética secundaria después de transformar el jugo en etanol. Se considera que el bagazo de caña de azúcar bajo en lignina reduce el coste del pretratamiento. Los investigadores de la Universidad de São Paulo y de la Universidad Federal de Viçosa (Brasil) describen las características de 11 híbridos experimentales de caña de azúcar baja en lignina (y dos muestras de referencia), en cuanto a su composición química, características agronómicas y digestibilidad enzimática. El contenido de lignina de los híbridos y de las muestras de referencia oscila entre el 17 % y el 24 %, en correspondencia con un contenido de glucano (carbohidrato a base de glucosa) del 38 % al 43 %. Algunos híbridos experimentales de caña de azúcar tenían mucha biomasa y un elevado contenido en sacarosa bajo en lignina, pero las muestras con menor cantidad de lignina no producían necesariamente la mayor cantidad de polisacáridos totales. «Un incremento variable de la masa de algunos componentes, inclusive extractivos, parecía compensar la reducción del contenido de lignina». Se observó que las plantas con menor contenido en lignina requerían menos insumos de deslignificación para conseguir una mayor conversión de la celulosa en azúcares simples durante el tratamiento enzimático. El estudio completo se ha publicado en la revista de acceso libre Biotechnology for Biofuels.

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http://www.sciencedaily.com/releases/2011/12/111219102226.htm

En 2020, todo el combustible consumido en la Unión Europea deberá contener un 10 % de biocombustible. El butanol derivado de fuentes renovables es el candidato más adecuado para cumplir este requisito ya que, entre otras cosas, es posible añadir más de un 20 % de butanol a los combustibles sin tener que modificar los motores de combustión actuales. La Universidad de Aalto (Finlandia) ha investigado el empleo de biomasa de madera para producir biocombustibles. Se ha desarrollado una eficiente tecnología que combina la moderna fabricación de pasta papelera y la biotecnología para producir biocombustible. Esta nueva tecnología consiste en hervir biomasa de madera en una mezcla de alcohol y dióxido de azufre para separar después los componentes de la madera: celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa puede utilizarse como materia prima en la producción de papel y la hemicelulosa puede someterse a un tratamiento microbiano para producir sustancias químicas y butanol. Los resultados del estudio se han publicado en revistas científicas como Bioresource Technology.

Noticias y tendencias

http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0019306

Científicos de diferentes instituciones de investigación de Estados Unidos (el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Instituto de Genómica del Departamento de Energía de EE.UU, el Instituto de Bioenergía y la Universidad de California-Berkeley) han descrito el uso de «"biotrampas" cebadas con lignina para investigar a los microbios y enzimas responsables de la descomposición de la lignina en el suelo de la selva tropical portorriqueña». El estudio de diversos microbios capaces de degradar la lignina en estos suelos puede dar lugar al descubrimiento de nuevas enzimas que pueden utilizarse eficazmente en aplicaciones de producción de biocombustibles, especialmente para deslignificar la biomasa durante el pretratamiento. Una característica interesante del suelo de la selva portorriqueña son sus variables condiciones anóxicas y redox, que podrían indicar la presencia de microbios con mecanismos exclusivos de degradación de la lignina, diferentes de «los descomponedores fúngicos conocidos y las actividades enzimáticas dependientes del oxígeno». Los resultados demuestran que «las muestras modificadas con lignina [en las biotrampas] presentan mayor abundancia relativa de representantes de los filos Actinobacteria, Firmicutes, Acidobacteria y Proteobacteria que las muestras no modificadas». Los científicos creen que las bacterias podrían ser importantes para la descomposición anaeróbica de la lignina en suelos de potencial redox bajo o variable. El estudio completo se ha publicado en la revista de acceso libre PLoS ONE.

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http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/58/abstract

Un equipo internacional de científicos de Taiwán (Universidad Nacional de Chiayi) y Estados Unidos (Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y Universidad del Estado de Washington) describen el desarrollo de plantas arroceras transgénicas capaces de expresar altos niveles de una enzima celulolítica en su biomasa, sin perjudicar gravemente el crecimiento y desarrollo de la planta. Las enzimas celulolíticas (o celulasas) se utilizan habitualmente para convertir las moléculas de celulosa de la biomasa vegetal pretratada en azúcares fermentables que se pueden transformar en etanol biocombustible. «El gen de la enzima hidrolítica de la celulosa, β-1,4-endoglucanasa (E1), obtenida de la bacteria termofílica Acidothermus cellulolyticus, se sobreexpresó en el arroz por transformación mediada por Agrobacterium». Los investigadores obtuvieron 52 plantas transgénicas de seis líneas independientes que expresan las enzimas en niveles elevados, sin perjudicar gravemente el desarrollo de la planta. No obstante, algunas plantas transgénicas tenían «menor estatura y florecían antes que el tipo silvestre». También se demostró que la enzima es termoestable, con una elevada especificidad del sustrato para la celulosa, y que se puede purificar fácilmente con un sencillo tratamiento térmico. Tras cultiva la paja de arroz transgénico con fluido gástrico de vaca durante una hora a 39 °C (y otra hora más a 81 °C), se hidrolizaba más fácilmente que la paja de arroz silvestre y producía un 43 % más de azúcares reductores. Los resultados del estudio indican que la planta arrocera transgénica puede utilizarse como «planta multifuncional», de modo que los granos pueden servir de alimento y la biomasa como materia prima bioenergética eficaz o como fuente industrial de celulasas. El estudio completo se ha publicado en la revista de acceso libre Biotechnology for Biofuels.

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http://www.news.iastate.edu/news/2011/dec/nikolau

Varias universidades de Estados Unidos (U. del Estado de Iowa, U. de California-Davis, U. de California-Los Angeles y el Instituto Boyce Thompson de Investigaciones Fitológicas de Nueva York) y de Japón (U. de Tokio, U. de Osaka y U. de Kioto) han forjado una asociación con la Fundación Samuel Roberts para desarrollar tecnologías destinadas a una sociedad baja en carbono. Los científicos realizarán varios estudios en los que modificarán plantas para producir más y mejores aceites o lípidos considerados más eficientes para almacenar energía que las moléculas de almidón. De este modo, podrán utilizarse estas plantas para producir biocombustibles más eficientes y sustancias bioquímicas mejores y más rentables, de mayor valor que los biocombustibles. Según Basil Nikolau, profesor de bioquímica, biofísica y biología molecular «estamos intentando entender mejor la biología (de las plantas) y convertirla en una ciencia más predecible con el fin de obtener atributos positivos. Con esa información podremos realizar manipulaciones (de las plantas) para conseguir cualquier cosa que se desee».

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http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2011/11/29/e-coli-make-three-fuels/
http://www.pnas.org/content/early/2011/11/21/1106958108.abstract

Los científicos del Departamento de Energía de EE.UU. presentaron las primeras cepas de Escherichia coli diseñadas para digerir biomasa de pasto aguja con el fin de fabricar combustibles para el transporte sin necesidad de aditivos enzimáticos. «Este trabajo demuestra que podemos reducir uno de los elementos más caros del proceso de producción de biocombustibles: la adición de enzimas para despolimerizar la celulosa y la hemicelulosa y obtener azúcares fermentables», afirma Jay Keasling, Consejero Delegado de JBEI y director de esta investigación. «Esto nos permitirá reducir los costes de producción del combustible consolidando la fase de despolimerización y la fase de fermentación en un único proceso». Los investigadores creen que E. coli es uno de los principales factores que explican el éxito de su investigación. Esta bacteria se ha utilizado durante muchos años en la fabricación de diversos productos químicos debido a su incomparable «tractabilidad genética y metabólica». Su próximo objetivo es aumentar el rendimiento de producción de los combustibles que fueron capaces de sintetizar a partir del pasto aguja.