Avances Tecnológicos en la Producción de Biocombustible

PROBLEMÁTICA DEL USO DE COMBUSTIBLE

Debido a la creciente población mundial es necesario más suministros de energía para mejorar la calidad de vida. Sabemos que la problemática radica en el agotamiento de combustibles fósiles y los problemas ambientales asociados al uso de carburantes y productos químicos derivados del petróleo (Rodionova, et al. 2017; Wang, et al. 2019b).

Esta crisis energética ha creado una fuerte demanda para el desarrollo de fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles tradicionales (Kolesinska, et al. 2019). De esta forma, se ha generado un interés mundial en los combustibles y productos químicos renovables de base biológica.

Magerlyn Huamantalla-Huamán, Adriana Herrera-Vivas

¿QUÉ ES BIOCOMBUSTIBLE?

Los biocombustibles son combustibles de origen biológico producidos a partir de biomasa renovable (restos orgánicos) (Wang, et al. 2017). Estos han surgido como una de las fuentes de combustibles sostenibles de mayor importancia estratégica y se consideran importantes en nuestro progreso hacia la limitación de las emisiones de gases de efecto invernadero, la mejora de la salud ambiental y la búsqueda de nuevos recursos energéticos (Raud, et al. 2019).

AVANCES CIENTÍFICOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES

Cada año, se producen más de 40 millones de toneladas de material vegetal no comestible, no obstante gran parte se desecha. Por lo cual, los residuos agrícolas ofrecen una solución económicamente viable para la producción de diferentes biocombustibles. Entre las fuentes más abundantes y prometedoras de biomasa se incluyen la paja de trigo, switchgrass y las mazorcas de maíz (Kolesinska, et al. 2019).

El Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea ha desarrollado microorganismos que pueden producir combustibles ecológicos de una manera más eficiente, competitiva y ecológica. En su informe, “Ingeniería de una bacteria oleosa para producir ácidos grasos y combustibles” (Kim, et al. 2019), los investigadores afirmaron que estos microorganismos representan un avance crucial en la generación de fuentes de energía sostenibles y de base biológica para reemplazar los combustibles fósiles más contaminantes.

Surgen algunas interrogantes sobre cómo reducir los costos en la producción de biocombustible, teniendo en cuenta la composición de la biomasa y los avances fermentativos de las diferentes cepas clostridiales: Algunas preguntas son:

>>> ¿Existe una mejor forma de convertir la biomasa lignocelulósica en biocombustible?

La biomasa lignocelulósica es un recurso abundante y renovable procedente de plantas compuesto principalmente por polisacáridos (celulosa y hemicelulosas) y un polímero aromático (lignina) (Zoghlami & Paës, 2019), que proporcionan fuerza y resiliencia (Raud, et al. 2019). Para convertir la biomasa lignocelulósica en biocombustible a través de la fermentación microbiana, generalmente se requiere un proceso de pretratamiento (biológicos, físicos, químicos y físico-químico) (Wang, et al. 2019a).

El estudio de Wang (2019a) presentó una estrategia innovadora y eficiente para la conversión integral de biomasa lignocelulósica en biocombustible de alto valor. Evaluó al ácido acético como pretratamiento de switchgrass para la producción eficiente de biobutanol mediante la fermentación acetona-butanol-etanol (ABE), en el cual, determinó las siguientes condiciones óptimas: 3 g/L ácido acético a 170 °C durante 20 min.

>>> ¿Qué estudios son necesarios para la producción de biocombustible?

La fermentación ABE es un proceso que involucra la fermentación de bacterias anaerobias estrictas para la producción de solventes orgánicos en las siguientes proporciones: 3 acetona : 6 n-butanol : 1 etanol) a partir de carbohidratos (Jaramillo, et al. 2011); sin embargo, la acetona producida durante el proceso no puede utilizarse directamente como combustible debido a su naturaleza corrosiva que sería perjudicial para las partes del motor. (Wang, et al. 2019b).

Por este motivo, han surgido diversas posibles soluciones como:

1. Suprimir la síntesis de acetona mediante la ingeniería metabólica en Clostridium acetobutylicum, con la finalidad de aumentar la producción de butanol ha generado una acumulación elevada de ácidos grasos (Jiang, et al. 2009).
2. Aprovechar las cepas clostridiales solventogénicas que producen isopropanol en vez de acetona, a través de la fermentación isopropanol-butanol-etanol (IBE), debido a que se puede utilizar como aditivo de combustible para la preparación de gasolina de alto voltaje. Sin embargo, la tasa de producción de estas cepas es muy baja (Survase, et al. 2011).
3. Introducir la vía de la acetona a isopropanol en cepas productoras de ABE para lograr una producción de IBE de alto nivel. El estudio de Dai (2012), evaluó la sobreexpresión del alcohol deshidrogenasa secundaria de C. beijerinckii NRRL B593 en C. acetobutylicum Rh8 (cepa tolerante al butanol), esta cepa diseñada puede convertir completamente 7–8 g/L de acetona en isopropanol, quedando 0.9 g/L de acetona residual en el medio. Este estudio demostró que tiene una producción viable, sin embargo, existen ciertas limitaciones para esta cepa genéticamente modificada como: la baja eficiencia en la conversión y la inestabilidad genética por la sobreexpresión basada en plásmidos.

Debido a las dificultades presentadas en investigaciones anteriores, Wang (2017) desarrolló un sistema de ingeniería eficiente de CRISPR-Cas9 para el genoma de C. saccharoperbutylacetonicum N1–4 (cepa productora de hiperbutanol). Esta tecnología abre camino para dilucidar el mecanismo de producción de solventes en este microorganismo y desarrollar cepas con características deseables de producción de butanol.

En base a ese estudio, Wang (2019b), diseñó metabólicamente la cepa C. saccharoperbutylacetonicum N1–4 productora de hiper-ABE para la producción de IBE. Primeramente, sobreexpresó el gen sadh en un plásmido, responsable de la conversión de acetona en isopropanol, generando la cepa PW5. También sobreexpresó el gen sadh-hydG, generando PW6. Ambas cepas produjeron altos niveles de isopropanol sin detectar acetona.

Para solucionar los problemas de inestabilidad genética que hubo en otros estudios anteriores, se integró el gen sadh o sadh-hydG en el cromosoma C. saccharoperbutylacetonicum N1–4, generando las siguientes cepas PW8 y PW9, respectivamente. La cepa PW9 aproximadamente el 95% de la acetona se convirtió en isopropanol. Esto indicó que la sobreexpresión en conjunta de sadh-hydG a través de la integración cromosómica tuvo efectos positivos en la conversión (Wang, eta l. 2019b).

Además desde el punto de vista industrial es recomendable la integración cromosómica debido a la estabilidades de los genes esenciales. A pesar que la sobreexpresión en los plásmidos fue eficaz para la conversión de acetona en isopropanol, no es recomendable utilizarlo en las industrias debido a que complicaría la operación y aumentaría los costos, ya que, sería necesario complementar la fermentación con antibióticos para mantener estable al plásmido.

CONCLUSIÓN FINAL:

Esfuerzos futuros de investigación en la producción de biocombustibles deberán centrarse en encontrar nuevas especies para la producción de combustibles, además de optimizar y mejorar las condiciones de cultivo, las técnicas de ingeniería genética en especies productoras de biocombustibles y perfeccionar técnicas efectivas para el cultivo industrial de estos microorganismos (Rodionova, et al., 2017).

REFERENCIA:

Dai, Z., Dong, H., Zhu, Y., Zhang, Y., Li, Y., & Ma, Y. (2012). Introducing a single secondary alcohol dehydrogenase into butanol-tolerant Clostridium acetobutylicum Rh8 switches ABE fermentation to high level IBE fermentation. Biotechnology for biofuels, 5(1), 1–10.

Jaramillo Obando, J. J., & Cardona, C. A. (2011). Analysis of the production of biobutanol in the acetobutilyc fermentation with clostridium saccharoperbutylacetonicum N1–4 ATCC13564. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, (58), 36–45.

Jiang, Y., Xu, C., Dong, F., Yang, Y., Jiang, W., & Yang, S. (2009). Disruption of the acetoacetate decarboxylase gene in solvent-producing Clostridium acetobutylicum increases the butanol ratio. Metabolic engineering, 11(4–5), 284–291.

Kolesinska, B., Fraczyk, J., Binczarski, M., Modelska, M., Berlowska, J., Dziugan, P., … & Kregiel, D. (2019). Butanol synthesis routes for biofuel production: trends and perspectives. Materials, 12(3), 350.

Raud, M., Kikas, T., Sippula, O., & Shurpali, N. J. (2019). Potentials and challenges in lignocellulosic biofuel production technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 111, 44–56.

Rodionova, M. V., Poudyal, R. S., Tiwari, I., Voloshin, R. A., Zharmukhamedov, S. K., Nam, H. G., … & Allakhverdiev, S. I. (2017). Biofuel production: challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, 42(12), 8450–8461.

Survase, S. A., Jurgens, G., Van Heiningen, A., & Granström, T. (2011). Continuous production of isopropanol and butanol using Clostridium beijerinckii DSM 6423. Applied microbiology and biotechnology, 91(5), 1305–1313.

Wang, S., Dong, S., Wang, P., Tao, Y., & Wang, Y. (2017). Genome editing in Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1–4 with the CRISPR-Cas9 system. Applied and environmental microbiology, 83(10).

Wang, P., Chen, Y. M., Wang, Y., Lee, Y. Y., Zong, W., Taylor, S., … & Wang, Y. (2019a). Towards comprehensive lignocellulosic biomass utilization for bioenergy production: Efficient biobutanol production from acetic acid pretreated switchgrass with Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1–4. Applied Energy, 236, 551–559.

Wang, P., Feng, J., Guo, L., Fasina, O., & Wang, Y. (2019b). Engineering Clostridium saccharoperbutylacetonicum for high level Isopropanol-Butanol-Ethanol (IBE) production from acetic acid pretreated switchgrass using the CRISPR-Cas9 system. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(21), 18153–18164.

Zoghlami, A., & Paës, G. (2019). Lignocellulosic biomass: understanding recalcitrance and predicting hydrolysis. Frontiers in Chemistry, 7, 874.