Cuarta generación: La milla verde

El hombre siempre ha usado su entorno para obtener energía. Los animales, plantas, el agua, el viento, y con el tiempo, aquella almacenada en recursos fósiles como el carbón o el petróleo. Desde mediados del siglo XX, con el crecimiento de la población, la extensión de la producción industrial y el uso masivo de tecnologías, comenzó a crecer la preocupación por el agotamiento de los recursos y el deterioro ambiental. En busca de una fuente de energía más limpia y respetuosa y forzados por la desaparición de los combustibles fósiles, hemos ido desarrollando sucesivas generaciones de biocombustibles procedentes de biomasa. Y cada una, mejor que la anterior.

La primera generación de biocombustibles líquidos para el transporte fue un éxito. O eso se decía. El etanol procedente de los granos de maíz, caña de azúcar y remolacha, y el de aceite vegetal de un gran número de semillas, supuso un dato importante de combustible usado cada año. Eso es cierto… hasta 2013.

Consumo de biofuel en la Unión Europea de 2002 a 2013.
Consumo de biofuel en la Unión Europea de 2002 a 2013.

Su utilización, planteó problemas graves y no solo ambientales. Había alimentos y tierras destinadas a su producción, que se empezaron a orientar a la producción de biocombustibles. Esto generaba un claro efecto de competencia entre la producción de comida y la de biocombustibles dando lugar a un aumento del precio de la comida. Se hacía necesario mejorar los procesos y materias primas, y fue cuando surgió la segunda generación de combustibles. En este caso, la materia prima no peligra por su escasez, no desvía alimentos de la cadena alimentaria animal o humana (ni siquiera es un alimento) y tiene un menor impacto ambiental. Aún se están desarrollando y entre ellos encontramos el bioetanol de celulosa, hidrobiodiésel, biometanol, diésel de madera, etc. Podríamos incluir a las microalgas en este grupo aunque hay quien las ha englobado dentro de una tercera (e incluso cuarta) generación de biocombustibles por su gran capacidad de crecimiento y su potencial energético.

En el mundo, los residuos vegetales son el recurso renovable más grande que existe y se considera que más del 85% de los residuos agrícolas y un gran porcentaje de residuos agroindustriales son de este tipo. Estos residuos están compuestos en su mayor parte por celulosa, hemicelulosa y lignina.

En la producción de biocombustibles, ¿por qué la biotecnología es útil y quizá sea en un futuro absolutamente necesaria? Según la Agencia Andaluza de la Energía, donde he consultado este tema, la tercera generación de biocombustibles se basa en el uso de métodos de producción similares a los de segunda generación, pero empleando como materia prima biomasa específicamente adaptada o diseñada mediante biología molecular. La celulosa tiene una ventaja enorme. Es la molécula más abundante, formando parte de la biomasa terrestre.

Sin embargo, presenta un problema que trae de cabeza actualmente a muchos laboratorios: la extrema dificultad de digerir las paredes celulares vegetales para la producción de biocombustibles. En la naturaleza, los animales que se alimentan de pasto cuentan con enzimas y microorganismos que facilitan procesos digestivos especializados en degradar la celulosa hasta su producto final, la glucosa. Pero esto no ocurre en el laboratorio de una forma tan dirigida y efectiva.

La celulosa se encuentra en la pared de una célula vegetal en un 40 %, en la madera supone un 50% y en el algodón, constituye más del 90% de su composición. Fue descubierta en 1838 y es usada en la fabricación de papel, tejidos, explosivos, barnices y aislamiento térmico y acústico. Solo USA produce 400-600 millones de toneladas de peso seco al año.

Proceso, beneficios y consideraciones sobre el uso del bioetanol procedente de celulosa.  Esta infografía ha sido realizada por estudiantes del Williamsburg HS for Architecture and Design in Brooklyn, NY. Fuente
Proceso, beneficios y consideraciones sobre el uso del bioetanol procedente de celulosa. Esta infografía ha sido realizada por estudiantes del Williamsburg HS for Architecture and Design in Brooklyn, NY. Fuente

La biomasa rica en celulosa contiene además una gran variedad de componentes como polisacáridos, lignina, ceniza, proteínas o compuestos denominados extractivos como clorofilas, ceras, aceites, terpenos y compuestos fenólicos. Es obvio que el conocimiento de la composición de la biomasa hará posible que se pueda modificar una planta para obtener las características deseadas para la producción de biocombustible. Dado que la naturaleza insoluble de la celulosa y otros polisacáridos de la pared celular complica la conversión eficiente en glucosa, cabe pensar que la principal estrategia que se aborda mediante la biotecnología es la modificación de los componentes de la pared celular.

Por ejemplo, podríamos aumentar el contenido de celulosa mejorando algún paso de su proceso de su síntesis en la planta, o reducir otros polisacáridos a favor de un mayor contenido de celulosa. La idea en definitiva, es maximizar la recuperación de toda la glucosa posible en los procesos bioquímicos. Otras estrategias planteadas para optimizar el rendimiento consisten en reducir el contenido de lignina (porque suponga un problema en la degradación y así se reducen costes en el pre-tratamiento) o incrementar la proporción de la biomasa de pared celular (porque interese por su composición). Como suele ocurrir, todas las estrategias no son válidas para todos los cultivos y dependiendo de cuál se trate, interesa una u otra.

FIGURA 2Por supuesto, la ingeniería genética aplicada a los enzimas que participan en el proceso es un objetivo claro y común. A alguien se le ha ocurrido pensar que se puede minimizar el coste de la producción de biocombustible si en vez de utilizar las enzimas en el laboratorio, ya vienen de fábrica y es la propia planta la que produce las enzimas clave necesarias para la conversión de la biomasa.

Y no solo eso, sino que la planta podría hacer que estas enzimas empezaran a funcionar sobre los azúcares justo en el momento de la cosecha o durante el procesamiento de la biomasa. Así se evitaría que pudieran interferir en el crecimiento normal de la planta o iniciaran una serie de reacciones catastróficas demasiado pronto. Es una estrategia perfecta, basada en una especie de programación.

No obstante, a pesar de los resultados que está obteniendo esta fuente de biocombustible, hay expertos que señalan a las microalgas como las más prometedoras en un futuro. Entramos en los biocombustibles de cuarta generación. La clave es la captación y almacenamiento de carbono (CAC), tanto a nivel de la materia prima como de la tecnología de proceso. La materia prima no solo se adapta para mejorar la eficiencia de proceso, sino que se diseña para captar más dióxido de carbono, a medida que el cultivo crece. Con ellas se puede producir un aceite que tras un proceso de refinado puede utilizarse como biodiésel.

Según el Departamento de Energía de EE.UU, su rendimiento es de 10 a 100 veces superior al de los biocombustibles de segunda generación. Se pueden producir al aire libre aunque debido al problema derivado de posibles contaminaciones, control de pH, temperatura, etc, que es difícil de mantener a raya, ha caído en desuso. Sí se hace en sistemas cerrados con atmósfera controlada o en fotobiorreactores donde se acelera el proceso.

Fotobiorreactores al aire libre (desuso) y actuales
Cultivo de microalgas al aire libre (desuso) y en la actualidad

Se eliminan los principales inconvenientes de los biocombustibles de primera generación, ya que se evita el uso de tierras de cultivo y de los propios alimentos y además, el impacto ambiental es considerablemente menor. Las microalgas tienen la particularidad de crecer muy rápido y ser capaces de hacerlo en aguas marinas, dulces, residuales y salobres. Al utilizar el dióxido de carbono, se suele aprovechar el proveniente de algunas empresas, por lo que las plantas actuales intentan establecerse cerca de donde existan bolsas de CO2 de origen subterráneo, ya que tiene más pureza.

Ahora lo que se investiga es que las mismas algas sean capaces de producir ese CO2 mediante plantas de cogeneración eléctrica. Si quemamos las algas –una vez extraído el aceite- en una central térmica, no sólo producimos electricidad y calor, sino también CO2 que volverá a retroalimentar el sistema.

A pesar de las evidentes ventajas que presenta esta tecnología, aún hay inconvenientes que salvar. Consumen dióxido de carbono, pero también necesitan otros nutrientes como nitrógeno o fósforo. Estos fertilizantes empleados a gran escala podrían tener efectos negativos en el medio ambiente. Habría que optimizar el método de producción ya que el contenido energético del biodiésel de microalgas es algo menor que el del diésel (por lo que su consumo es ligeramente mayor) y en general, el biodiésel presenta problemas de fluidez y congelamiento a bajas temperaturas, especialmente si es de mala calidad. Actualmente los costes de la inversión y el mantenimiento de estos cultivos son todavía elevados.

Ya hay factorías donde los pasillos parecen más bien una milla verde. Falta mucho por hacer pero creo que vamos por el buen camino. Lo que está claro, es que la biotecnología vegetal, en esto de las generaciones verdes, aún tiene mucho que decir.

Fuentes:

* Modifying plants for biofuel and biomaterial production. Furtado A et al. Plant Biotechnol J. 2014

* Agencia Andaluza de la Energía

* Departamento de Energía de EE.UU.


3 Comentarios

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Carlos Alberto FernándezCarlos Alberto Fernández

Hola, Amara. Gracias por el artículo. Veo que ya has estado en contacto con los colegas de la Agencia Andaluza, pero si necesitas más información sobre estos temas (en especial sobre algas, biorrefinerías, el asunto de las “generaciones” o sobre lo que hay de realidad y de mito en los impactos de los biocarburantes convencionales), en el IDAE estamos a tu disposición.

bioamara

Hola Carlos,

Gracias a ti por leerlo. Tenía alguna idea previa, nada profunda, pero he podido comprobar que el tema es amplísimo y por suerte, tan innovador que continuamente están saliendo noticias y artículos nuevos. Es muy interesante y creo que tiene mucho potencial.

Sé que estás especializado en esto, así que siéntete libre de corregirme o añadir lo que estimes oportuno, si lo crees conveniente.

Agradezco tu oferta y no dudes que la acepte para ampliar información. Muchas gracias :-)

zoraida Chica Roldánzoraida Chica Roldán

Hola, muy interesante. Yo estoy realizando un trabajo bibliográfico sobre biocombustibles a partir de microalgas, así que toda la información que pueda conseguir me viene genial! :) ¿Cómo puedo contactar con Carlos Alberto Fernández?

Muchas gracias y un saludo,
Zoraida.

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