El bambú podría convertirse en una alternativa al petróleo gracias a un proceso que aprovecha su biomasa para producir combustibles líquidos más sostenibles.
- 🦠 Una bacteria extraordinaria: Bacillus megaterium SR7 puede desarrollarse en condiciones de alta presión y presencia de CO₂ supercrítico.
- 🧬 Ingeniería genética: los científicos incorporaron genes que permiten al microorganismo fabricar isobutanol.
- ⚡ Menor consumo energético: el modelo del proceso completo estima una reducción de aproximadamente cinco veces respecto a los procedimientos tradicionales.
- 💧 Extracción más eficiente: el CO₂ supercrítico permite retirar el biocombustible durante su producción, evitando que su acumulación frene la fermentación.
- 🚗 Alternativa a la gasolina: el isobutanol presenta ventajas frente al etanol por su mayor densidad energética y menor afinidad por el agua.
Un equipo de investigadores del Instituto Politécnico de Worcester (WPI) y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, ha desarrollado un procedimiento que combina una bacteria modificada genéticamente con dióxido de carbono supercrítico para producir isobutanol, un alcohol que podría utilizarse como alternativa a los combustibles derivados del petróleo.
El avance aborda uno de los principales obstáculos de los biocombustibles: la elevada cantidad de energía necesaria para fabricarlos y separarlos de los líquidos de fermentación. Según los cálculos de los investigadores, el nuevo procedimiento podría reducir hasta cinco veces el consumo energético del proceso completo frente a los métodos convencionales.
Una bacteria encontrada en un depósito natural de CO₂
La investigación comenzó con la búsqueda de un microorganismo capaz de sobrevivir donde la mayoría de las bacterias utilizadas en fermentaciones industriales no pueden hacerlo.
Los científicos identificaron una cepa denominada Bacillus megaterium SR7, procedente de un pozo situado en Colorado, Estados Unidos, asociado a un gran depósito geológico de dióxido de carbono de elevada pureza y presión.
Esta bacteria había desarrollado una capacidad especialmente interesante: tolerar condiciones que resultan letales para otros microorganismos estudiados.
Sin embargo, tenía una limitación importante. Aunque podía sobrevivir en ese entorno, no disponía de la maquinaria genética necesaria para producir el combustible buscado.
El equipo del MIT resolvió el problema incorporando genes relacionados con la síntesis de isobutanol. Los experimentos demostraron que la bacteria modificada podía producir este alcohol mientras crecía en presencia de CO₂ supercrítico.
Cómo funciona el proceso de producción de biocombustible
El sistema combina fermentación microbiana e ingeniería de separación de productos.
En los procedimientos convencionales, los microorganismos transforman compuestos orgánicos en alcoholes dentro de un biorreactor. A medida que aumenta la concentración del producto, este puede resultar tóxico para las propias células y reducir su actividad.
La solución propuesta consiste en utilizar dióxido de carbono en estado supercrítico, que se obtiene cuando el gas supera una temperatura crítica de aproximadamente 31 °C y una presión de 7,38 MPa.
En esas condiciones, el CO₂ adquiere propiedades de un fluido supercrítico que permiten utilizarlo como disolvente de extracción.
El procedimiento se desarrolla mediante varias operaciones:
- Preparación del cultivo: se introduce la bacteria modificada en un biorreactor con los nutrientes necesarios para su crecimiento.
- Producción biológica: el microorganismo transforma los sustratos disponibles en isobutanol mediante las rutas metabólicas incorporadas.
- Extracción simultánea: el CO₂ supercrítico retira el alcohol del medio de fermentación.
- Recuperación del producto: el biocombustible se separa de la corriente de extracción para su posterior aprovechamiento.
La ventaja fundamental es que el isobutanol no necesita acumularse hasta alcanzar concentraciones que inhiban a los microorganismos.
Además, este procedimiento puede reducir la dependencia de disolventes orgánicos convencionales, algunos de los cuales presentan problemas de inflamabilidad, toxicidad o costes de recuperación.
Un consumo energético hasta seis veces menor en la extracción
Michael Timko, investigador del WPI y uno de los responsables del análisis del proceso, estudió su comportamiento energético mediante modelos de ingeniería.
Los resultados mostraron dos mejoras diferentes que conviene distinguir.
La etapa de extracción con CO₂ supercrítico podría consumir aproximadamente seis veces menos energía que otros procedimientos de separación evaluados.
Cuando se considera el sistema completo, incluyendo el cultivo microbiano, la producción, la extracción y la recuperación del combustible, el ahorro energético estimado se sitúa alrededor de un factor de cinco.
Esta diferencia es importante porque la separación de los alcoholes diluidos constituye uno de los principales costes de la producción biotecnológica.
En sistemas tradicionales, técnicas como la destilación requieren suministrar cantidades considerables de calor. Reducir esa demanda puede mejorar la viabilidad económica de los biocombustibles.
No obstante, los resultados proceden de experimentos y cálculos de ingeniería. No demuestran todavía que una instalación industrial pueda alcanzar esos ahorros de manera continuada y rentable.
Por qué el isobutanol puede ser mejor alternativa que el etanol
El isobutanol es un alcohol de cuatro átomos de carbono que presenta características interesantes para su utilización como combustible líquido.
Frente al etanol, tiene una mayor densidad energética volumétrica, lo que significa que puede almacenar más energía por litro.
También presenta una menor solubilidad en agua, una propiedad favorable para el almacenamiento, transporte y manejo de combustibles.
Estas características permiten estudiar su incorporación a mezclas con gasolina y, bajo las condiciones técnicas adecuadas, su utilización como componente de combustibles alternativos.
Sin embargo, su posible aplicación no depende únicamente de la capacidad de producirlo. También deben considerarse su compatibilidad con motores, las especificaciones de calidad, la normativa de combustibles y los costes de distribución.
Desde una perspectiva ambiental, otro factor determinante es el origen de la materia prima utilizada durante la fermentación.
El uso de residuos agrícolas, biomasa no alimentaria o determinados subproductos industriales podría mejorar su perfil de sostenibilidad, siempre que los procesos de transformación y suministro sean eficientes.
Los desafíos que todavía debe superar esta tecnología
La capacidad de fabricar isobutanol en presencia de CO₂ supercrítico constituye una prueba de concepto, pero existen dificultades que deben resolverse antes de considerar su comercialización.
Una de las más importantes es aumentar la productividad de la bacteria.
Los investigadores señalaron la necesidad de mejorar tanto la velocidad de multiplicación del microorganismo como su capacidad de mantener una producción elevada de alcohol durante periodos prolongados.
También será necesario estudiar la estabilidad genética de las cepas, los costes de operación a alta presión y la integración de los equipos de extracción en instalaciones de mayor tamaño.
Otro aspecto fundamental será evaluar el balance ambiental completo. Utilizar CO₂ como disolvente no significa necesariamente que el proceso capture carbono de forma permanente, ya que el gas puede recuperarse y reutilizarse, mientras que la combustión posterior del isobutanol genera emisiones.
La huella climática real dependerá del origen del carbono, la energía empleada y las características de toda la cadena de producción.
Una posible vía para fabricar combustibles renovables más competitivos
El interés de esta investigación reside en que aborda simultáneamente dos problemas de la producción biológica de combustibles: la resistencia de los microorganismos a las condiciones del proceso y la recuperación energéticamente eficiente del producto.
La combinación de una bacteria adaptada a ambientes extremos, ingeniería genética y extracción mediante fluidos supercríticos abre posibilidades que también podrían estudiarse para obtener otros productos químicos renovables.
Aunque todavía se encuentra lejos de demostrar su competitividad comercial, esta tecnología ilustra cómo la biotecnología y la ingeniería química pueden colaborar para desarrollar procesos industriales menos dependientes de los combustibles fósiles.
Vía Worcester Polytechnic Institute
Más información: Bamboo as a cost-effective feedstock for production of low carbon transportation fuels
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