Bio-sualiza el Bioplástico

En un post anterior veíamos cómo Dow Chemical había formado un JV con Algenol para producir biocombustibles de algas a partir de CO2 contaminante, haciendo bio-CCS. Pues bien, el etanol producido en este proyecto vendría también previsto para hacer bioplásticos. En este caso tendríamos un co-producto cuya necesidad actualmente viene siendo para la humanidad tan vital como la de cambiar de matriz energética, ya que si este producto alternativo al plástico convencional se generara de forma eficiente, el proceso ayudaría a disminuir la contaminación no sólo de emisiones tóxicas reemplazando el petróleo fósil por el biocombustible producido, sino también reemplazando por un material biodegradable al principal residuo sólido del planeta: el plástico.

Muchas grandes compañías actualmente están apostando por la producción y distribución de bioplástico o plástico biodegradable. Entre otras tenemos a Braskem de Brasil generando a partir de caña de azúcar etanol que después se llevaría a polietileno, a Cereplast que está trabajando con microalgas, a Toyota, a Coca Cola, a Procter and Gamble, entre otras más, así como compañías de biotecnología más especializadas como Metabolix, Amyris o Genomatica.

Cabe aclarar que en términos generales tanto el plástico convencional como el bioplástico son biodegradables, más el plástico elaborado a partir de petróleo se degrada en cientos o miles de años. Así mismo, para el plástico derivado del petróleo existe la tecnología oxobiodegradable que se basa en aditivos especiales para que las cadenas de polímeros que lo conforman se degraden en unos 3-5 años y no en cientos o miles; más aún así continuaría siendo plástico sintético en partículas (osea deja residuos tóxicos)

Por otro lado, tenemos a los bioplásticos como biopolímeros compostables, es decir, que en un período de 90 días en unidades de compostaje industrial adecuadas serían totalmente degradados y usados como abono fértil. Estos términos vienen fundamentados por estándares certificados de biodegradación y compostabilidad (estándar europeo: EN13432 o EN 14995; estándar norteamericano: ASTM D 6400)

Se tienen 2 tipos de biopolímeros: Los que provienen de organismos vivos (carbohidratos de la celulosa y almidón, proteínas de la soya, poliésteres bacterianos) y los que provienen de recursos renovables (ácido láctico y triglicéridos que necesitan ser biopolimerizados)

Así mismo, existen 2 procesos usados actualmente para su producción, que son: la fermentación tanto láctica para hacer ácido poliláctico, como la de poliéster bacteriana; y la ingeniería genética, que usa una planta de genoma conocido, la arabidopsis thaliana, a la cual se le ha insertado genes de enzimas bacterianas que producen bioplástico.

La producción de bioplástico es una alternativa limpia que promete según algunos visionarios o bio-sionarios como el CEO de Cereplast o el de Metabolix, ser un negocio trillonario de acá a unos 5-10 años. Incluso elaborarlos a partir de microalgas favorecería a no competir con los comodities alimentarios, como ya se ha mencionado en otro post respecto al deficit alimentario generado por los agrocombustibles (en este caso serían agroplásticos).

Dejo algunos videos para introducir de manera más gráfica y sustanciosa este tema.

Bio-sualiza el concepto de BIO-REFINERÍA

A finales del año pasado se anunció el financiamiento de 600 millones de USD para crear 19 nuevos proyectos de biorefinerías en los EE.UU, con lo cual se biosualiza un futuro prometedor para este proyecto que conjuga una industria limpia y apuesta por integrar la produccion de biocombustibles con subproductos con valor agregado que hagan rentable reemplazar el petróleo por energía limpia.

Una biorefinería se puede entender como un análogo a la refinería de petróleo, pero en este caso, de naturaleza biológica, y por ende limpia, y se puede definir como una instalación que a través de procesos de separación biológicos (fermentaciones a través microorganismos), bioquímicos (enzimas), termoquímicos (pirólisis, gasificación: plataforma sinthetic gas SNG, gas to liquids GTL, biomass to liquids BTL), químicos, físicos, étc, busca transformar materia prima de bajo costo (biomasa) en un espectro de productos biobasados útiles con valor en la industria (de mayor a menor cotización: químicos para cosméticos, farmacia y suplementos alimenticios o nutraceúticos, pasando por bioplásticos, biopolímeros, hasta biocombustibles, biocrudo, etc). En este sentido, se estaría maximizando el valor derivado de la materia prima aprovechando las ventajas de los diferentes componentes y productos intermedios del proceso de biorefinación. El tipo de producto y su calidad dependerán especialmente de la fuente de la biomasa aprovechada, que de manera general se clasifica como de naturaleza seca, granos, de naturaleza humeda y azúcares.

Este concepto de biorefinería es un concepto que podría llamarse nuevo, aunque en cierta manera, porque a principios del siglo XX ya se venía desarrollando esta tecnología con miras a su aplicación energética, aunque después los combustibles fósiles lo acapararon todo y quedó en stand by. También en la industria de alimentos y agroindustrial se aplica este concepto pero en la línea del procesado de diversos insumos (biotecnología blanca).

Lo interesante del tema es que actualmente muchas grandes compañías de la industria de alimentos están empezando a integrar su negocio con la propuesta de generar energía limpia como valor agregado, como ADM, Bungee, Cargill; así como compañías y JV que se están formando para especializarse en esta cadena de producción y bio-cascada, así como en la ingeniería de bloques de construcción (moléculas con múltiples grupos funcionales que cuentan con el potencial para ser transformados en nuevas familias de moléculas útiles).

El énfasis principal estaría en usar estrategias y procesos innovadores que reduzcan los costos y optimicen recursos para producir etanol, 1,3 propanodiol, ácido poliláctico (bioplástico), isosorbida, y muchos otros químicos; estrategias del tipo de usar el glicerol crudo en lugar de azúcares como materia prima. Para ello se cuenta con elementos claves a considerar como son el considerar el tipo de materia, la tecnología para el procesamiento, el grado de desarrollo tecnológico y el principal producto intermedio de los procesos, así como contar con mapas teóricos adecuados de las rutas bioquímicas seguidas por los intermediarios y subproductos.

Algunas compañías especializadas en bioproductos:
Elevance Renewable Sciences: Ácido 9, decenoico y ésteres, ác C18 dicarboxílico y ésteres, oleofinas alfa e internas, oleoquímicos, biocombustibles de vanguardia.
Glycos Biotechnologies: Convertir glicerina cruda, ác grasos libres o de palma para destilado para producir etanol graduado, isopreno y acetona.
Roquette Freres y Bioamber: Ác succínico biobasado y sus derivados en su aplicación a 1. 4 butanodiol poliuretano (PU), resinas y biopolímeros como succinato de polibutileno.

Bio-sualiza a la RuBisCO: Santo Grial de la fotosíntesis

En enero de este año científicos alemanes del instituto Max Plank de bioquímica y del Centro Genético de la universidad Ludwig Maximilians de Munich, anunciaron haber reconstruido artificialmente en laboratorio la enzima clave de la fotosíntesis: La Rubilosa1,5 bifosfato carboxilasa oxidasa, mejor conocida como RuBisCO.

Considerada la madre de todos los retos actuales en miras a una mayor producción de alimento y combustible, tal vez sea ésta la clave, una proteína, para alcanzar la independencia energética del petróleo, y no el invertir en producción de tecnología que exacerbe el dilema de comida vs combustible, generando toneladas de biocombustible que abareten su costo pero que generen disparidad con el costo de los alimentos y la tenencia de tierras agrícolas.

La RuBisCO es la responsable de la fijación del CO2 atmosférico en el ciclo de Calvin (fase oscura de la fotosíntesis) para generar biomasa gracias a la energía lumínica captada por la clorofila (fase luminosa). Esta enzima incluso es considerada la más importante del planeta porque todo el carbono orgánico presente en la biosfera en cierta manera es generado por ella a través de la fijación del CO2.

Como herramienta de secuestramiento de carbono y crecimiento de la planta (biomasa) es objeto de importantes estudios pues por un lado es la proteína más abundante del planeta, pero a la vez es lenta e ineficiente. Lenta porque sólo fija 3 moléculas de carbono por segundo e ineficiente o torpe porque confunde el O2 con el CO2, generando una pérdida en oportunidad de crecimiento para la planta y pérdida de carbono como fotorespiración. Esto parece deberse a que hace millones de años los primeros microorganismos fotosintéticos no tenían la presencia de O2 en altas concentraciones en la atmósfera primitiva como ahora, y aparentemente no fueron capaz de adaptarse luego al nuevo medio que presentó su acumulación progresiva.

Lo que se busca ahora es potenciar el rendimiento fotosintético acelerando la reacción e incrementando la eficiencia enzimática de la RuBisCO. Esto se pretende mejorando genéticamente a la enzima de modo que fije la mayor cantidad de CO2 posible y reaccione menos con el O2. El criterio para ello sería precisamente eliminar o disminuir el efecto de todos aquellos factores que propicien la fotorrespiración, proceso antagónico a la fotosíntesis, en el cual el O2 compite con el CO2 por el sitio activo de la enzima, como las altas temperaturas, alta intensidad luminosa, alta concentración de O2 y baja concentración de CO2.

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.