Bio-sualiza los FLEX FUEL

Este adverticing de Ford Motors muestra a la popular Rana René (Kermit The Frog) "Muppet" de Plaza Sesamo presentando un auto híbrido, es decir que puede funcionar tanto con gasolina como electricidad para poder reducir la contaminación y aprovechar por medio de baterías el calor generado por la combustión y "reciclarlo" como energía motriz. Este modelo es una propuesta de vanguardia entre varias, para modificar los motores y los diseños de los autos, para hacerlos ecológicos. Otras propuestas como esta son los vehículos de hidrógeno y los tríbridos.

Pero la tendencia principal en vehículos parece apuntar hacia los llamados "Flex Fuel " o vehículos de combustible flexible, como un diseño automovilístico más rentable a corto plazo por favorecer a la industria ya creciente de feedstocks de biocombustibles. Estos autos tienen 2 motores, como su nombre lo indica " combustible flexible", uno para un tipo distinto de combustible: para gasolina sería uno y el otro para biocombustible (etanol) y pueden funcionar con cualquiera de los dos, así como con mezclas de ellos a cualquier proporción. El primer vehículo Flex fue un Volkswagen Gol construido en Brasil en el 2003, donde actualmente el 85% de vehículos vendidos anualmente son flex.

Otra prueba del incremento de esta tendencia flex en motores además de lo que sucede en Brasil, fue que en abril de este año la General Motors anunció la inversión de más de 890 millones de USD en la creación de un bloque de nueva generación de camiones y autos con una maquinaria más eficiente, basada en esta tecnología flex fuel para el uso de biocombustible E85.

A inicios del 2008 ellos ya habían emprendido una sociedad con 2 compañías biotecnológicas, Coskata y Mascoma, ambas especializadas en la conversión de biomasa en etanol usando microorganimos y bioreactores diseñados para la transformación a etanol de costo competitivo con la gasolina, considerándolo sin subsidiar, y con el cual poder hacer pruebas de rendimiento de motores en sus plantas.

Por otro lado, Ford tambien anunció que dejaría su proyecto de autos híbridos (a partir de electricidad) para concentrarse en la generación de autos flex a partir de etanol, por visualizar o "bio-sualizarlos" como una solución más clara y a corto plazo para cambiar el uso de combustible fósil por biocombustible.

Normalmente cualquier auto puede funcionar con una mezcla de etanol de un 10 a un 30 % con la gasolina. Pero para aumentar la proporción de etanol se necesitaría hacer algunas modificaciones al motor, como por ejemplo aumentar el tamaño de los carburadores y caudales, así como un sistema de arranque en frío para asegurar la suficiente vaporización por debajo de los 13ºC, maximizar la combustión y reducir al mínimo la no combustión de etanol no vaporizado. Al referirnos a estas adaptaciones ya estamos haciendo mención a lo que implica la tecnología Flex, que como explicaba al principio del post, no es otra cosa que motores adaptados al aprovechamiento de biocombustible al 100 % en el motor.

Si bien, de un E85 se obtendría menos millaje que un motor de gasolina tradicional, en lo que es gastos se daría un mayor ahorro por costar menos el etanol que la gasolina, así como favorecer a la independencia de combustible foráneo y cuidar el medio ambiente.

Incluso, una tendencia aún más interesante sería la de buscar generar motores híbridos duales, que funcionen con 2 motores, uno con biocombustible y otro con electricidad, favoreciendo aún más la disminución de gases tóxicos a la atmósfera...ahora,"Its easy being green", como decía la Rana Reneé...

Bio-sualiza las SUPER ENZIMAS

La reciente adquisión por parte de BP de la compañía Verenium por 98 millones de USD propietaria de tecnología de biocombustibles a partir de celulosa, aparentemente como una estrategia para mejorar su imagen de responsabilidad ambiental adquiriéndola, tras el derrame de petróleo que ocasionó recientemente en el golfo de México, me lleva a plantear el tema de los biocombustibles llamados de 2da generación, y para cuya producción se hace necesaria la aplicación de enzimas modificadas para funcionar a escala industrial.

Las plantas presentan fibras que la ayudan a tener soporte y protegen de parásitos y del medio ambiente. Estas fibras están conformadas por celulosa y hemicelulosa que son polisacáridos (conformados por unidades de azúcares) y lignina (un polímero muy resistente). Lo que se pretende es dejar de usar cultivos alimenticios (comodities) como el maíz o la soya para hacer biocombustibles (de 1era generación o agrocombustibles) que es negativo (ver mi post anterior al respecto) para pasar al uso sostenible de desechos de la industria agrícola (proceso que se llama "waste to fuels tecnology") transformando la celulosa y la lignina (en el caso de plantas con lignina modificada o "suavizada" por ingeniería genética) de esta biomasa residual, disgregándola en azúcares por medio de enzimas mejoradas (celulasas, hemicelulasas, por ejemplo, con actividad glicosil hidrolasa) para luego proceder a fermentarlas para generar etanol o biobutanol que servirían como combustible líquido.

Para ello se requiere de enzimas con alta estabilidad para funcionar a temperaturas mayores a los 100 grados (a mayor temperatura se da una cinética de reacción más rápida) y con una alta especifidad (a mayor especifidad se genera más producto por unidad de tiempo), así como un pH óptimo. Por dicho motivo las enzimas que se han ido estudiando para estos procesos provienen, por ejemplo, de bacterias hipertermófilas, así como de la flora intestinal de las termitas, especializadas en degradar madera y residuos vegetales. De todas formas, con el avance de la biología sintética, específicamente la metagenómica, se ha ido secuenciando los genes que expresan la actividad enzimática para desarrollar enzimas altamente eficientes a través de la computadora.

Las enzimas son proteínas que sirven como biocatalizadores para las reacciones metabólicas en los organismos vivos activándose al entrar en contacto con un sustrato (sitio activo), mostrando alta especifidad con éste y reduciendo la energía de activación (sin la cual la reacción se daría lentamente y simplemente no sería posible la vida en la naturaleza).

Si bien estas enzimas actuan a una escala celular, existen técnicas para escalar su función a niveles industriales; técnicas que compañías especializadas en diversos rubros (en el caso de bioenergía: Novozymes, Codexis, Dyadic, Genencor) están desarrollando a través de la optimización de los procesos.

Entre otros anuncios recientes sobre enzimas industriales diseñadas para producir biocombustibles, Novozymes ha presentado su enzima Cellic CTec2 para producir biocombustible a partir de residuos; Verenium, su Xilatina, para la degradación de xilosa comúnmente presente en cereales; y Genencor su Acellerasa DUET que aporta nutrientes a los microorganismos fermentadores y disminuye la carga química del proceso.

Lo que se bio-sualiza en este sentido es optimizar incluso el rendimiento de las enzimas integrando ambos procesos: el de la degradación de biomasa hasta glucosa con el de la fermentación de la glucosa hacia biocombustible líquido. Todo esto de la mano de microorganismos cuyas enzimas aisladas invitro y mejoradas con biotecnología para su escalamiento industrial y procesamiento permiten que de ser nuestros enemigos (destruyendo inmuebles, ropa y demás) se puedan volver nuestros aliados en el esfuerzo por generar energía limpia.

Bio-sualiza el SCALE UP comercial de microalgas

Escalar es el proceso por el cual se pasa de una etapa a escala de laboratorio (piloto) a una escala comercial. Este proceso es crítico al tratarse de microorganismos, ya que los factores dados en situaciones controladas a pequeña escala se ven digámoslo violentados al pasar a una escala macro en la cual el control de los parámetros se ve críticamente reducido.

Un escalamiento se da en sistemas diseñados para el cultivo microbiano, es decir, bio-reactores o "fotobioreactores" (en el caso de organismos fotosintéticos como las microalgas). Este escalamiento se da paralelamente de dos maneras según cómo se plantea en ingeniería de bioreactores: Un escalamiento de tipo geométrico (aumento de la altura del líquido, del diámetro del tanque, del impulsor, de la distancia desde el fondo hasta el impulsor, del ancho de los deflectores) y un escalamiento de tipo dinámico (velocidad del impulsor, agitación, movimiento del fluido, transferencia de masas y energía); los cuales son inversamente proporcionales entre sí, es decir que a mayor tamaño del reactor menor velocidad es requerida para optimizar las reacciones requeridas en éste y así poder mantener los costos al mínimo en término de gastos energéticos.

En la naciente industria de biocombustibles de tercera generación a partir de microalgas esta ingeniería es clave para poder hacer comercial toda la investigación realizada a partir de cepas en los laboratorios de las diferentes empresas visionarias o "bio" sionarias para la producción de biocombustible verde, así como de co-productos y sub-productos ("downstream"). Para ello muchos diseños han sido propuestos y patentados para las escalas tanto piloto como comercial, así como propuestas para optimizar la producción han sido hechas, como por ejemplo, planteando iniciar con fotobiorreactores cerrados para estabilizar el cultivo para luego pasar a pozas abiertas al alcanzar concentraciones altas que favorezcan la dilución en volúmenes grandes. Así mismo, microalgas para producir metabolitos de alta calidad (proteínas) para la industria nutracéutica se recomiendan ser mantenidos en sistemas cerrados. Sin embargo, la ingeniería genética promete crear especies resistentes para un escalamiento totalmente abierto y manteniendo la alta calidad y pureza de los microorganismos de interés en cultivos monoalgales.

Parámetros como la iluminación, la temperatura, la concentración de nutrientes (micro y macronutrientes y elementos traza), la aereación, juegan un papel fundamental para la viabilidad del sistema, y sin un esquema matemático del mismo, siguiendo los cambios en proporcionalidad y ordenando etapa por etapa las variaciones buscando valores óptimos en los rendimientos, sería una operación totalmente fuera de lugar. Por ello, experiencias en la escala de laboratorio generan una base de la cual poder aprovecharse para conocer la evolución metabólica de la microalga en estudio. Principalmente la iluminación es clave para sistemas fotosintéticos jugando con la intensidad luminosa (irradiancia) así como los colores de la onda para optimizar la fotosíntesis así como la síntesis de otros metabolitos útiles para la industria (como pigmentos, TAGs, proteínas, etc). Esto se hace a partir de fuentes de luz artificial como fluorescentes de luz blanca (que simula la luz natural), asi como con LEDs (que simulan diferentes longitudes de onda, desde infrarojo hasta ultravioleta, pasando por colores específicos de la onda luminosa, como azul o rojo).

Ya pasando a una escala comercial, tenemos las llamadas pozas abiertas en las cuales las microalgas son circuladas en medios que pueden contar con suplementación de aguas residuales para su tratamiento y aprovechamiento por parte de las microalgas. En el video a continuación se presenta un breve documental con imágenes de escalamiento comercial de microalgas para biocombustible por parte de la compañía de California SunEco, que afirman liderar propuestas de este tipo para producción masiva de combustible verde.

SunEco Energy Algae Biodiesel

Bio-sualizando a la NASA

La NASA inició a mediados del año pasado un proyecto asociada con Algae Systems LLC llamado "Sustainable Energy for Spaceship Earth" (Energía Sostenible para la nave espacial Tierra) que partió del laboratorio para luego ser realizado de manera piloto en una playa en las costas de Santa Cruz para poder cultivar microalgas con un sistema llamado OMEGA: "Offshore Membrane Enclosure For Growing Algae" de sus siglas en inglés (Membranas de alta mar aisladas para crecer algas). Con este sistema las algas son mantenidas suspendidas en bolsas plásticas flotantes en el océano con un suministro de agua residual. El objetivo es poder expandir su cultivo (escalarlas) ocupando el mayor espacio de mar posible y sin competir con tierras de cultivo.

Así mismo, el movimiento de las mareas las mantendría homogenizándose continuamente para optimizar su crecimiento y su temperatura estaría regulada por el mismo calor del oceáno. Por otro lado, las bolsas mantendrían el agua enriquecida pues al usarse membranas osmóticas filtrarían el agua de mar que ingresara al interior y la alta concentración de sales del exterior impediría que los nutrientes del agua residual se perdiesen. Incluso, si una tormenta o tsunami destruyera las bolsas, éstas se romperían obviamente pero sin contaminar, pues su contenido es microalga de alto contenido lipídico que sería degradado naturalmente. En ese sentido, también las bolsas serían biodegradables, pretendiéndose que sean de bioplástico a partir de microalgas inclusive.

La NASA, con alta experiencia en proyectos cuidadosamente armados y con un manejo extremo de recursos limitados (dado las misiones espaciales que maneja), bio-sualiza este proyecto en una escala planetaria con la certeza de que el biocombustible en base a microalgas es una de las mejores opciones para reemplazar el petróleo, y esperan poder tener el proyecto habilitado para que el cambio de matriz energética no sea tan brusco, contando con estas bolsas gigantescas o fotobiorreactores distribuidas en quizá todo el oceáno del planeta.

Con su socio estratégico así mismo plantean integrar esta producción en una tecnología de biorefinería, produciendo diesel y jetfuel, entre otros derivados.

Jonathan Trent, el científico que lidera el proyecto, nos recuerda una frase de Marshall Mc Luhan: "No somos pasajeros en la nave Tierra, somos tripulantes", y por ello nuestra responsabilidad es real en la dirección que tomemos con ella en el futuro próximo. Espera así mismo, que esta innovadora tecnología pueda ser aplicada por diversas compañías como un recurso que les traiga soluciones a sus necesidades para el escalamiento de microalgas para producir biocombustibles.

Bio-sualizando a Exxon (II)

Un adverticing reciente de Exxon sobre biocombustibles de microalgas... a un año aproximadamente de anunciar su alianza con Craig Venter y Sinthetic Genomics con un capital de 600 millones de USD... parecen seguir bio-sualizando en esta dirección.