Investigación

La fitobiotecnología puede aportar herramientas para mejorar las perspectivas de sustitución de los aceites fósiles por biomasa de origen vegetal incrementando la cantidad de biomasa producida por unidad de superficie y mejorando la composición de la biomasa para aumentar la eficiencia de conversión en biocombustible y biomateriales, según se destaca en un artículo publicado por la revista Plant Biotechnology Journal.

Firmado por Robert J. Henry de la Universidad Southern Cross de Australia, el artículo evalúa los recursos de biomasa vegetal disponibles para sustituir a los aceites fósiles.

«Harán falta innovaciones que fomenten el rápido crecimiento de la biomasa y el desarrollo de vías biosintéticas de las paredes celulares. Es esencial obtener un alto rendimiento por unidad de superficie y una elevada eficiencia de conversión para establecer un sistema de producción de biocombustibles ecológicamente sostenible», escribe Henry en su artículo.

Henry señala además la posibilidad de hacer más eficiente y económica la producción de combustibles diseñando plantas que expresen las enzimas necesarias para el procesamiento, así como plantas que produzcan coproductos de gran valor.

La página web de bioenergía (thebioenergysite) informa sobre la secuenciación del genoma de una gramínea modelo por parte de un grupo internacional de científicos en la «Iniciativa Internacional Brachypodium». El estudio completo se ha publicado en la revista Nature. La «hierba modelo» que se ha secuenciado se denomina Brachypodium distachyon: «el primer miembro de la subfamilia Pooideae, de gran importancia económica, que incluye el trigo y la cebada». También se dice que el Brachypodium tiene unas cualidades ideales que la convierten en un modelo «para los estudios de genómica funcional de las herbáceas de clima templado, de los cereales y de los cultivos específicos para la producción de biocombustibles, como el mijo perenne»:

(a) facilidad de cultivo (sencillos requisitos de crecimiento), (b) ciclo de vida corto, (c) autofertilización, (d) genoma de pequeño tamaño que «facilita el descubrimiento de genes vinculados a eventos específicos, como el tamaño del tallo y la resistencia a enfermedades».

John Vogel, uno de los autores científicos principales y biólogo molecular del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), afirma que el Brachypodium es «más fácil de cultivar que muchas otras gramíneas, ocupa menos espacio en laboratorio y ofrece una fácil transformación».

Esto significa que «los científicos pueden insertar ADN extraño en ella, estudiar el funcionamiento de sus genes y aplicar procedimientos específicos para mejorar el cultivo en las plantas transformadas».

Política y economía

La web Biofuels International informa que la producción de etanol biocombustible de la Unión Europea (UE) aumentó un 58 % en 2008 con respecto al año anterior.

Las principales materias primas utilizadas son cereales.

El trigo fue la materia prima del 63 % de los 2.800 millones de litros de etanol producidos en 2008.

El etanol de maíz se cifra en un 27 % de la producción, mientras que el centeno y la cebada representan el 4,3 % y el 3,5 %, respectivamente. En Alemania también se utiliza el tritical (un híbrido de trigo y cebada) como materia prima marginal para la fabricación de etanol.

Procesos y producción

El biodiésel se obtiene normalmente mediante el cultivo de una planta bioenergética altamente oleaginosa, cuyo aceite se extrae y se somete a una serie de procesos químicos, que suelen acarrear elevados costes energéticos y de proceso.

Un estudio reciente podría abaratar el proceso de conversión de la biomasa en biodiésel. Un grupo de investigadores del Departamento de Energía de Estados Unidos (US-DOE) y del Instituto Unificado de Bioenergía (JBEI) ha desarrollado recientemente una bacteria E. coli capaz de transformar la biomasa directamente en biodiésel y otras sustancias químicas derivadas de los ácidos grasos.

Utilizando técnicas de biología sintética, primero modificaron el metabolismo de los ácidos grasos para producir combustibles y otras sustancias químicas a partir de la glucosa.

Después diseñaron la nueva cepa de E. coli para producir hemicelulasas (enzimas que convierten la hemicelulosa de la biomasa vegetal en azúcares simples).

Se ha realizado la demostración de un sistema de producción completo, pero hacen falta estrategias para «incrementar la categorización, la productividad y el rendimiento» a fin de pasar al ámbito industrial.

Los detalles del estudio se han publicado en la revista Nature.

Durante mucho tiempo se ha utilizado el aceite de las semillas de plantas cultivadas como materia prima para la producción de biodiésel.

Sin embargo, recientemente se ha comenzado a estudiar el uso de microorganismos (especialmente fotosintéticos) como fuentes potenciales de aceite para este fin.

Uno de estos microorganismos es una clase de bacterias fotosintéticas denominadas «cianobacterias». Dado que el aceite que producen estos microorganismos es en general un producto intracelular, es necesario destruir las paredes celulares por medios físicos o químicos (como ultrasonidos, alta presión o sustancias químicas).

La destrucción de las paredes celulares para recuperar el aceite suele acarrear un elevado coste. Un equipo de investigadores de la Universidad del Estado de Arizona (ASU, Estados Unidos) ha encontrado un modo de reducir el coste de recuperación de aceite de las cianobacterias, programándolas para que se «autodestruyan».

La autólisis programada se induce mediante la adición de níquel; la autólisis libera el aceite ocluido en el interior de la célula sin necesidad de otros procesos físicos o químicos de recuperación. La nota de prensa de la ASU explica este método en síntesis:

«Los genes se tomaron de un enemigo mortal de las bacterias denominado bacteriófago que infecta las bacterias, de modo que los microbios acaban explotando como un globo.

Los científicos intercambiaron partes de los bacteriófagos que infectan la E. coli y la Salmonella y agregaron níquel al medio de crecimiento, donde los genes insertados produjeron enzimas que disolvieron lentamente las membranas de las cianobacterias desde dentro».

El informe completo ha sido publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Investigadores del Instituto Francés del Petróleo (IFP de Francia) han realizado un análisis cinético comparativo de las enzimas betaglucosidasa de dos fuentes fúngicas:

el Aspergillus niger (Novozymes SP 188) y el Trichoderma reesei (BGL1).

La betaglucosidasa es uno de los tres grandes grupos de enzimas degradadoras de la celulosa (denominadas colectivamente «celulasas») que actúan sinérgicamente para degradar la biomasa celulósica y obtener glucosa, la cual es fermentada para producir etanol biocombustible.

Las betaglucosidasas catalizan la reacción final de la fase de degradación de la celulosa, en la que se libera glucosa del pequeño fragmento celulósico denominado «celobiosa».

Los investigadores han integrado los datos de la reacción enzimática en el modelo cinético de «Michaelis-Menten», incorporando inhibición competitiva.

Los resultados demuestran que la betaglucosidasa SP 188 (Aspergillus niger) presenta una actividad enzimática específica menor y es más sensible a la inhibición de la glucosa que el BGL1 (Trichoderma reesei).

Los investigadores afirman que estos resultados pueden ayudar a definir «cócteles enzimáticos óptimos» para nuevas actividades de betaglucosidasas. El estudio se ha publicado en la revista de acceso libre Biotecnología para biocarburantes (Biotechnology for Biofuels).

Un equipo de científicos del Departamento de Química y del Grupo de Investigación Bioenergética de la Universidad de California Davis (Estados Unidos) ha desarrollado un proceso de producción de biodiésel que aprovecha al máximo la semilla oleaginosa entera para producir biodiésel.

En la producción convencional de biodiésel, el aceite (el componente «lípido») suele extraerse (por medios mecánicos o químicos) de la semilla para convertirse en biodiésel por medio del proceso denominado «transesterificación».

Normalmente se desecha el carbohidrato que queda como residuo (celulósico) de la semilla oleaginosa (tras la extracción del aceite).

El proceso patentado desarrollado por Mark Mascal y Edward B. Nikitin utiliza el aceite y también el residuo de las semillas provocando una reacción con ácido hidroclorídrico acuoso y 1,2-dicloretano en un reactor bifásico, y calentando la mezcla a 80 °C durante 3 horas.

El aceite de la semilla se libera intacto, mientras que la parte celulósica de la semilla se transforma en un compuesto denominado 5-(clorometil) furfural (CMF).

La mezcla de aceite y CMF se somete después a otro proceso denominado «etanolísis» para obtener un «cóctel biodiésel híbrido» de etil-levulinato (un éster etílico de ácido levulínico) y éster etílico biodiésel.

«Los ésteres de levulinato son oxigenados de cadena corta que pueden mezclarse con combustible diésel para mejorar sus prestaciones en frío». Los resultados del estudio se han publicado en la revista Energy and Fuels.

Un equipo de científicos de la Universidad de Central Florida (Estados Unidos) ha utilizado cócteles de enzimas derivadas de plantas para la bioconversión de biomasa lignocelulósica en azúcares fermentables en etanol.

Las enzimas suelen utilizarse para degradar varios polímeros en la biomasa vegetal y el uso de estos «cócteles» ofrece una versatilidad mayor para degradar una amplia variedad de materias primas vegetales.

Por ejemplo, las peladuras de naranja necesitan más cantidad de la enzima pectinasa, mientras que la madera necesita más xilanasa.

Lo interesante de este estudio es que la producción enzimática tiene una «base vegetal» (es decir, los genes que producen las enzimas se expresan en una planta cultivada).

Tradicionalmente se han venido utilizando microorganismos para producir enzimas.

El equipo de investigación encabezado por Henry Daniell ha clonado genes de hongos o bacterias descomponedores de la madera y ha producido enzimas en plantas de tabaco. Se ha utilizado el tabaco como planta modelo por las siguientes razones:

(1) no es un cultivo alimentario,

(2) produce gran cantidad de energía por hectárea,

(3) ofrece un uso alternativo a la planta del tabaco (a parte del de fumar). La Profesora Mariam Sticklen, una científica de renombre internacional en el campo de la agronomía y la edafología, afirma que «el trabajo realizado por el Dr. Henry y su equipo en la producción de una combinación de enzimas para degradar la pared celular de las plantas mediante la transgénesis de cloroplastos constituye un gran logro».

Los resultados del estudio se han publicado en la revista Plant Biotechnology Journal.

Materias primas

El Departamento de Energía de Estados Unidos (US-DOE) colaborará con el Departamento de Agricultura de EE.UU., Genome Canada y el Instituto Nacional de Investigación Agrícola de Francia en la financiación de un proyecto de 10,5 millones dólares destinado a secuenciar el genoma del girasol. Por medio de las últimas tecnologías de genotipado y secuenciación, se obtendrá el genoma del girasol y se localizarán genes de eventos de importancia agronómica (como el contenido de aceite de las semillas).

Una planta de girasol de alto contenido en aceite puede utilizarse como materia prima para la producción de biodiésel.

El desarrollo de una variedad híbrida del girasol, cultivada para un doble uso, es una de las posibles aplicaciones de esta investigación.

Según el director del proyecto (radicado en la Universidad de British Columbia), el Dr. Loren Rieseberg:

«Se recolectarán las semillas para producir alimento y aceite, mientras que los tallos se utilizarán como leña o se transformarán en etanol. Un cultivo de doble uso no competiría por el suelo con los cultivos alimentarios».

Científicos de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Manchester (Reino Unido) han identificado los genes que controlan la tasa y la orientación de la división de las células vasculares en las plantas.

A partir del estudio sobre el crecimiento de los haces vasculares de la planta modelo, Arabidopsis, el Profesor Simon Turner y el Dr. Peter Etchells han descubierto que los genes PXY y CLE41 dirigen la cantidad y orientación de la división celular.

También han descubierto que la «sobreexpresión del CLE41 provoca un mayor crecimiento de forma ordenada, incrementando así la producción de madera».

La página web de bioenergía (thebioenergysite) informa que estos científicos «quieren utilizar su estudio para aumentar la biomasa vegetal de los árboles y otras especies, contribuyendo así a satisfacer la necesidad de recursos renovables». Las conclusiones del estudio se han publicado en la revista Development.

Desde 2004, un grupo de científicos de la Universidad de Teesside (Reino Unido) integrados en el proyecto BioReGen (Biomasa, Recuperación y Regeneración) ha investigado en plantas que pueden cultivarse en solares industriales abandonados, a menudo contaminados por residuos peligrosos.

Recientemente han declarado que el alpiste rosado o de caña (Phalaris arundinacea) es adecuado «porque crece en suelos pobres y en solares industriales contaminados».

También podría ser «un excelente combustible para centrales eléctricas de biomasa y, a menor escala, para calderas de edificios como pueden ser los colegios». Se dice que este alpiste, que puede transformarse en gránulos o ladrillos de combustible, tiene una buena combustión y no incrementa las emisiones de gases de efecto invernadero.

Y lo más importante, según el Dr. Richard Lord, jefe de Geoquímica Ambiental y Sostenibilidad, «el alpiste rosado produce un combustible limpio y de buena calidad sin recoger contaminación del suelo».

ambién se han probado sauces, miscanto y pasto aguja como plantas de ensayo.

Noticias y tendencias

La Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU), en colaboración con la Universidad Napier de Edimburgo (Escocia, Reino Unido), establecerá su primer Centro de Investigación de Biocombustibles en la nueva Escuela de Energía y Medio Ambiente de la CityU.

«Este centro hará frente al incremento de la demanda global de combustibles sostenibles de origen no fósil y a la urgente necesidad que tiene Hong Kong de desarrollar soluciones sostenibles para gestionar su creciente volumen de residuos».

La Universidad Napier de Edimburgo ayudará a la Universidad de la Ciudad de Hong Kong en la selección de personal académico para el centro.

Ambas universidades pondrán en marcha programas de intercambio de estudiantes/facultades y colaborarán en proyectos conjuntos de investigación (entre ambas universidades y también con las industrias privadas de Hong Kong y de la China continental).

El Profesor Johnny Chan Chung-Leung, Decano de la Escuela de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong afirma que "este centro representa un avance crucial para nosotros. Esperamos que se convierta en un importante núcleo de investigación científica en el campo de los biocombustibles y que en última instancia sirva para promover la comercialización de nuevas tecnologías y potenciar nuestra formación profesional para beneficiar a diversos sectores de la sociedad, incluido el Gobierno, el sector industrial, el académico y el público en general."

Un grupo de científicos de la Universidad del Estado de Michigan, de la Universidad de York, de la Universidad del Estado de Ohio y del Museo Americano de Historia Natural (Estados Unidos) han colaborado para realizar un estudio de poblaciones de insectos beneficiosos en tres tipos de cultivos biocombustibles:

maíz, pasto aguja y pradera nativa mixta (hierbas y flores silvestres autóctonas).

En su estudio han puesto a prueba la hipótesis de que «los cultivos biocombustibles que comprendan comunidades vegetales más diversas sustentarán un mayor número de insectos beneficiosos».

Entre sus conclusiones, destacan las siguientes:

(1) las abejas son más abundantes en el pasto aguja y en la pradera que en el maíz,

(2) durante el período de muestreo de julio, el pasto aguja y la pradera tenían una mayor «abundancia de especies de abeja» que el maíz,

(3) «los insectos beneficiosos responden en general positivamente al incremento de la diversidad vegetal de las praderas y los pastos aguja; sin embargo, si se gestionan como cultivos exclusivos, la diversidad de plantas y artrópodos puede decrecer. El informe se ha publicado en la revista BioEnergy Research.