Bio-sualizando las mareas rojas vs las MAREAS NEGRAS

El pasado 22 de abril, el mismo día que se celebraba el día de la Tierra en todo el mundo, el mundo recibía una terrible noticia: Se había detectado un enorme derrame de petróleo en las costas del Golfo de México. La empresa responsable es la petrolera más grande de la zona (que alberga muchas refinerías), British Petroleum, y a pesar de sus muchos esfuerzos por reparar la avería con tecnología robótica y convocando a los mejores ingenieros del mundo para resolver el problema, aún siguen fluyendo hasta el día de hoy aproximadamente 40 000 barriles al día aproximadamente. Como testigo en vivo de la imagen satélite liberada por la NASA al mes de haber ocurrido el derrame, tomada desde la Estación Espacial Internacional, el cosmonauta Oleg Kotov no pudo menos que exclamar con miedo que de verdad no se sentía bien al respecto...

El petróleo comenzó a derramarse en aguas del Golfo de México tras la explosión, el 20 de abril, de la plataforma marítima Deepwater Horizon, que causó la muerte de once trabajadores y se hundió frente a las costas del estado de Luisiana. Ahora la "marea negra" se halla rodeando sus playas y se sigue expandiendo, situación de verdadera emergencia ecológica que nos lleva reflexionar sobre las dramáticas consecuencias de los accidentes ocurridos en la extracción de petróleo, tema que no es novedad y que la historia a lo largo de las últimas décadas los registra como tristes sucesos pero sin develar aún una solución clara para que no vuelvan a ocurrir nunca más. Ahora BP deberá pagar una indemnización de 20 billones dólares para las zonas afectadas.

Creo que ante esta dramática situación el valor del uso de biocombustibles como respuesta y alternativa efectiva al combustible fósil se pone en vigencia, y se vuelve clara la necesidad de potenciarlos, para todos los que realmente bio-sualizamos las consecuencias de esta tragedia ecológica, urgiéndonos el deber de producirlos y usarlos para darle energía al mundo de una manera segura y limpia. La razón clave que fundamenta su uso en este sentido es su BIODEGRADABILIDAD.

La biodegradabilidad del petróleo fósil es mínima y requiere del uso de una biotecnología en base a microorganismos específicos que no garantizan una solución total al problema. Más bien el uso de biocombustibles, especialmente los combustibles a partir de microalgas, que no generan un desbalance de emisiones tóxicas en el proceso de producción, representarían por estos últimos una verdadera MAREA ROJA (haciendo alusión a los blooms algales conocidos bajo este nombre) que pintarían distinto el panorama en respuesta a estas MAREAS NEGRAS que contaminan nuestros mares y siguen tiñendo la historia de nuestra relación con nuestro hogar, el planeta Tierra, alterando negativamente nuestros ecosistemas, arriesgando nuestras vidas, así como la fauna y la flora, y trayendo graves pérdidas económicas también para todos los implicados.

Los biocombustibles, a diferencia de las resistentes cadenas aromáticas que conforman los hidrocarburos fósiles, presentan oxígeno en su composición, esto es lo que los hace biológicamente activos y fácil y rápidamente biodegradables; es decir que su origen vegetal inmediato los hace compatibles con la naturaleza haciendo que el impacto ambiental sea realmente mínimo, o aligerándolo, al trabajar con mezclas de petróleo con biocombustibles en ciertos porcentajes por lo menos.

Así mismo, mientras el gobierno de los EE.UU lucha contra las consecuencias de la extracción de petróleo y Obama enfrenta un reto considerable que parece sobrepasarlo en su gobierno, invirtiendo millones de USD en solucionarlo; su vecino país, el gobierno de Canadá ha entrado en el rubro de los biocombustibles con fuerza, recientemente invirtiendo biocombustibles a partir de microalgas marinas con una inversión estatal de 4.8 millones de USD. Alternativa inteligente ante los acontecimientos narrados, que busca dar soluciones a partir de los recursos renovables de los oceános, en lugar de contaminarlos, estrategia que podríamos denominar: MAREA ROJAS VS MAREAS NEGRAS.

Bio-sualiza a E Coli

La reciente noticia acerca del logro de Craig Venter acerca de la creación artificial del primer ser vivo sintético me llevan a examinar lo que se está haciendo con bacterias para producir biocombustibles, perfilándose éstas como un herramienta eficiente para poder sustituir el petróleo y producir energía limpia.

En el caso de las bacterias estos microorganismos por un lado son simples y su genómica y vías metábolicas (en algunas casos como en el E. Coli, conocidas muy bien) dan la posibilidad para la biotecnología, como por ejemplo con la inserción de ciertos genes para que se puedan sintetizar biocombustibles directamente (como etanol o biobutanol), ahorrando en procesos de extracción y de separación o purificación (downstream process).

Precisamente el E. Coli está siendo estudiado por LS9, una firma privada de California, liderada por Jay Keasling, por su habilidad por sintetizar ácidos grasos y por su flexibilidad para ser manipulado genéticamente. Así mismo, se busca que la bacteria pueda sintetizar enzimas que le ayuden a degradar la celulosa de biomasa obtenida de residuos vegetales, concretamente hemicelulosas, obteniendo por medio de ellas azúcares simples para ser fermentados y ser generadores de energía.

Esta aplicación se denomina biología sintética, y se ejecuta en este proyecto por ejemplo clonando genes de Clostridium stercorarium y de Bacteroides ovatus que ayudan en la degradación de celulosas en la digestión de los animales herbívoros e insertándolas en el genoma del E. Coli, que puede así degradar la celulosa y luego los azúcares simples obtenidos para transformarlos en combustibles.

Otras ventajas del E. Coli es que es un microorganismo de rápido crecimiento y de alta resistencia a condiciones adversas, lo cual lo perfilan más como ese sistema biológico de microrefinería indicado para obtener biocombustibles, así como otros productos.

Aún así el rendimiento debe ser mejorado de un 10 % actual a un 80-90 %, así como su escalamiento ha de hacerse viable para tanques de 100 000 lts. También ha de tenerse especial consideración en hacerle modificaciones para hacerle intolerable a vivir en condiciones naturales para no alterar el ecosistema.

Bio-sualiza a los Electro-Fuels

A finales del año pasado, el departamento de energía de los EEUU (DOE-ARPA-E) realizó el financiamiento con 106 millones de USD, de 37 proyectos para desarrollar tecnologías innovadoras para producir biocombustibles, 13 de los cuales son proyectos para la investigación de electro-fuels, biocombustibles producidos a partir de microorganismos en base no a energía solar sino energía eléctrica. La apuesta por la investigación de esta novedosa versión de biocombustibles se fundamenta en la afirmación de que la fotosíntesis es un proceso ineficiente, ya que los biocombustibles basados en ella (cultivos vegetales y algas) aprovechan menos del 1 % de luz solar para transformarla en energía. Los electrofuels, por otro lado, transformando co2 (así como agua y/o hidrógeno dependiendo de la ruta metabólica) por medio de electricidad, harían el proceso teóricamente hasta 10 veces más eficientemente.

Entre estos 13 proyectos encontramos como representantes a varias universidades y start-ups cuyos procesos con microorganismos tienen diferentes fuentes de electrones. Justamente, para que la propuesta sea viable esta electricidad se debe obtener de manera renovable, ya sea por medio de energía reciclada: energía eólica, solar (células fotovoltaicas), o por medio de la oxidación de metabolitos como iones metálicos y biolixiviación (biohidrometalurgia), lo cual a mi parecer hace complicada la propuesta. Las bacterias mejoradas genéticamente a través de ingeniería metabólica y biología sintética formarían gracias a la energía suministrada de manera renovable, compuestos orgánicos, llegando a productos finales como alcoholes (metano, butanol o iso-butanol, entre otros combustibles líquidos) o a precursores de biocombustible (isooctano, octanol, o biopetróleo que refinado daría lugar a gasolina).

Cabe destacar entre algunas de estas propuestas los trabajos con E coli modificado para obtener alcoholes a través de la modificación de su ruta de biosíntesis de aminoácidos de alta actividad; así como el trabajo del MIT (Massachusetts Institute of Technology) con una bacteria similar a la que produce la tuberculosis, una rhodococcus.

Como podemos bio-sualizar en este post confluye además un nuevo tema a ser tratado a continuación que es la producción de biocombustibles a partir de bacterias no fotosintéticas, rubro que ha sido trabajado por start ups especializados en procesos de fermentación de materia lignucelulósica principalmente. Ya mencionada la propuesta de la aplicación dela energía eléctrica para potenciar los rendimientos de producción de biomasa, corresponde abrir un nuevo post con una mención a su potencial como fuente de biocombustible y posibilidades de escalamiento.

Bio-sualiza la captura del carbono

El pasado 5 de marzo, UOP una compañía filial de Honeywell, gigante norteamericana proveedora de tecnología, firmó un acuerdo con el departamento de energía de los EEUU para probar un facilitie de producción de microalgas que demuestre una tecnología eficiente de "captura de CO2 del ambiente".

En lo que concierne a este tema, se puede decir que el CCS (Carbon Capture & Sequestration, de sus siglas en inglés) es una tecnología nueva que busca disminuir el calentamiento global capturando las emisiones nocivas de CO2 emitidas por diversas fuentes contaminantes como plantas industriales para de esta manera "secuestrarlas" del medio ambiente y almacenarlas fuera de la atmósfera, como por ejemplo, escondiéndolas en el subsuelo de la tierra.

Se sugiere también un CCS más amigable con el medio ambiente, que es sería entendido como un "bio-secuestramiento", implicando el uso de sistemas biológicos para la captura de CO2, y que vendría ligado con proyectos de geo-ingeniería (que no tienen nada que ver con las técnicas de extracción de petróleo) buscando dar una solución global al problema del cambio climático.

En ese sentido estaríamos hablando ya no de una simple "captura y almacenamiento", como inicialmente planteaba el CSS, sino se trataría finalmente de un verdadero reciclaje del CO2.

Me parece apropiado compartir un documental científico británico estrenado el año 2007 por la cadena BBC de Londres que se llamó "Cinco formas de salvar el planeta" (Five ways to save the world) y que explicaba 5 propuestas a escala global para enfrentar con tecnologías de vanguardia las amenazas del cambio climático, de manera especial eliminando el CO2. La cuarta de estas propuestas planteaba una macro-fertilización de los oceános con úrea para promover la formación de gigantescos blooms algales que podrían capturar violentamente el CO2 acumulado en la atmósfera para transformarlo en biomasa vía fotosíntesis. Si bien, la propuesta es interesante, plantea muchas dificultades en cuanto al manejo, por el hecho de tener que realizarse en zonas del oceáno con poca presencia de fitoplankton para no alterar el ecosistema, pero así mismo, en términos de optimización parece que el uso de pequeñas áreas en el mar serían más eficientes que bosques enteros en cuanto a la captura de CO2. Sería cosa que el Profesor Ian Jones de la Universidad de Sidney, analice mejor esta propuesta que menciona en el documental, propuesta anteriormente por el finado biólogo John Martin con sus estudios de fertilización férrica, entre otros más.

El mensaje de esta estrategia para "salvar el planeta" formando este gigantesco bloom artificial nos remite en cierta manera a lo que se proyecta hacer para la captura de CO2 a escala industrial al producir biocombustible, proteínas y bio-plásticos (biorefinería en general) a partir del cultivo de microalgas.

Esto deja claro que la propuesta del bio-CCS aplicada en estas compañías sería mucho más eficiente y responsable ambientalmente que simplemente esconderlo en el subsuelo, pasando a ser de un "secuestramiento" a un verdadero "reciclaje" de las emisiones de dióxido de carbono, solucionándose así un problema y aprovechando incluso de éste para generar productos útiles para el ser humano.

Las propuestas que vienen analizándose y desarrollándose en start-ups como Inventure Chemical, Seambiotic o Algenol, ésta última,compañía que pretende ser la mayor recicladora de CO2 del mundo convirtiendo una tonelada de éste en 60-70 galones de etanol, prometen darle un importante valor agregado al proceso de producción de algae fuels al hacer negativo el balance de carbono, es decir, disminuyendo la presencia de este gas de efecto invernadero en el ambiente y aminorando sus nocivos efectos. El CO2, según Algenol, puede ser capturado del ambiente o de plantas industriales y cementeras con un 90% de eficacia y transformado en un 50%, por medio de su tecnología. Y todo indica que lo demostraran en la práctica, pues a mediados del año pasado, firmaron un acuerdo con DOW Biochemicals para levantar una planta piloto de 50 millones de USD para la captura de CO2 para producir etanol con microalgas en una zona desértica en Texas.

Este tema nos lleva a bio-sualizar y concluir en términos de emisiones de CO2 que los biocombustibles de microalgas son respuesta para poder realizar un reciclaje eficiente de CO2 para salvar nuestro planeta del calentamiento global, proyecto vital que requiere de energía limpia y verdaderamente útil, de tecnologías que realmente nos salven de esta aparentemente silenciosa pero letal amenaza climática.

Bio-sualiza biocombustibles de microalgas

Algunos videos relacionados a biocombustibles a partir de microalgas.

Bio-sualizando a Indian Oil

Indian Oil, la petrolera estatal de la república de la India y la 18va compañía petrolera más grande del mundo, el pasado 16 de Octubre del 2009 firmó con PetroAlgae (PA LLC de Florida) un convenio (Memorandum Of Understanding) acordando que PetroAlgae cultive con bioreactores y coseche microalgas cultivadas en granjas de open ponds para producir biocombustibles.
Este acuerdo convierte a la corporación hindú en el quinto Big Oil en alinearse al procesamiento a escala industrial de algae fuels y en la primera compañía nacional en todo el mundo en hacerlo de manera oficial.

Así mismo, el anuncio es el primero en hacerse entre un Big Oil y una compañía que expresamente está enfocada en procesos de comercialización industrial como es PetroAlgae.

La primera fase del proyecto será construir un facility de prueba para ver qué método de producción de PetroAlgae es escalable. Una vez que éste sea aprobado, Indian Oil planea construir un facility de producción comercial que sea capaz de producir 200, 000 toneladas por año de biodiesel (60 Mgy). Ese facility producirá así mismo una proteína como co-producto del proceso que será vendida como feedstock para alimento de animales.

Esta negociación aporta a la mejora de la situación de India como productor de biocombustibles y lo acerca a su meta de rivalizar con Brazil en este negocio.

Recordando lo revisado, vemos que hasta el momento las alianzas hechas por Big Majors para algae fuels vienen siendo:

1. ExxonMobil – Synthetic Genomics
2. Shell – Cellana
3. BP – Martek
4. Chevron – Solazyme
5. Indian Oil – PetroAlgae

Todas estas alianzas buscan producir combustibles "drop-in" , es decir, que puedan remplazar a los combustibles fósiles, siendo transportados, almacenados, distribuidos y usados de la misma forma.

Así mismo, las técnicas que cada asociación ha optado por desarrollar intensifican el debate entre si se debe fermentar o usar energía luminosa para optimizar el cultivo de las algas.

La alianza entre Indian Oil y PetroAlgae le da un punto más a favor a los métodos fotosintéticos.

Bio-sualiza la fotosíntesis artificial

Recientes investigaciones e inversiones realizadas por la Fundación Científica Europea (ECF), así como por otro lado, por el Departamento de Energía de los EE.UU (DOE) que ha invertido 122 M de USD en un proyecto de investigación de 5 años, me hacen poner sobre el tapete el tema de la fotosíntesis artificial, propuesta que busca aprovechar de manera más eficiente que como lo hacen las plantas la energía solar para la generación de energía limpia, y que fue inicialmente planteada en la revista Science en 1922 por el químico italiano Giacomo Ciamician.

La fotosíntesis artificial tiene 2 acepciones: Es tanto el uso de la luz solar para convertir CO2 y agua en carbohidratos y O2 (proceso completo), así como la simple ruptura de la molécula del agua para producir H2 y O2. En este segundo caso, el H2 liberado tendría una aplicación como combustible, y a esto se le llama fotoelectrolisis. Ahora bien, si se aprovechara el CO2 para producir carbohidratos, el beneficio estaría no sólo en poder generar energía limpia sino también en aprovechar el CO2 contaminante en exceso en la atmósfera.

Para poder desarrollar artificialmente la fotosíntesis en sus 2 etapas se requiere poder imitar perfectamente las reacciones que aprovechan la luz solar para generar carbohidratos. Esto implica un sistema catalizador (Fotosistema II) que funcione como el complejo reductor del oxígeno y la imitación de las hidrogenasas que generan los carbohidratos a partir de la reducción del CO2. También habría que replicar la dinámica de la coenzima NADP+/ NADPH que transporta 1 protón y 2 electrones de manera cíclica. Todo esto debería suceder dentro de una estructura a manera de hoja artificial (que podría ser algún tipo de nanotubo).
Romper la molécula del agua requiere una energía aproximada de 2.5 voltios y para ello se requeriría de un catalizador que use la energía solar para romper el agua. Este puede ser manganeso, lo cual seria una aproximación biomimétrica, (porque éste está presente en el centro de reacción de los sistemas fotosintéticos naturales), o dióxido de titanio u óxido de cobalto, en otras propuestas.

Los principales retos de esta nueva tecnología están en que se necesita de catalizadores muy estables, de un sistema que alcance la exactitud de la geometría molecular que manejan las plantas, así como de la alta cinética de las reacciones, así como que la solución electrolítica sea de alta afinidad para con los protones liberados por la lisis de la molécula de agua. Esto nos lleva a bio-sualizar que probablemente en un futuro próximo, de reemplazar adecuadamente los engranajes que configuran la fotosíntesis de manera artificial (fotosistema II, clorofila y centro de reacción) las plantas se vean superadas por el ingenio humano para aprovechar la energía solar en provecho de nuestras necesidades.