26 octubre, 2010

Una plataforma Wiki para modelar biorefinerías

Vamos por partes… Una plataforma Wiki es un sitio web donde el contenido puede ser editado por cualquier voluntario que tenga conocimientos sobre el tema, es de esta forma como funciona la enciclopedia Wikipedia. Actualmente, estos sitios Wiki están siendo explotados por la comunidad científica para crear contenidos que son de fácil actualización por especialistas en el tema. Sin dudas, una de las principales Wiki científicas es WikiPathways, la cual es una de las principales bases de datos de rutas metabólicas que es actualizada constantemente por investigadores de todo el mundo. Otro sitio Wiki importante es MicrobeWiki, un sitio donde podrán encontrar bastante información sobre la taxonomía microbiana. Y uno interesante para los ecólogos, zoólogos o botánicos es WikiSpecies.

Ahora, una biorefinería es – como cualquier refinería – una estructura que integra varios procesos industriales para producir combustibles, nutracéuticos, y a su vez, generar energía que le permite ser auto-sostenible, todo usando como materia prima la biomasa.

En nuestros días, la principal materia prima para la producción de biocombustibles es el azúcar. Por ejemplo, Brasil usa el azúcar de caña como el principal insumo en la producción del bioetanol.

Pero, si se quiere reemplazar una fracción substancial del petróleo que consumimos por los biocombustibles, se deben  buscar nuevas fuentes de materias primas que puedan crecer en suelos pobres y que no sean usados en la agricultura, para evitar así que compitan con las fuentes de alimento del mundo. Un ejemplo importante es que, una gran proporción del maíz que se produce en USA es destinado a la producción de biocombustibles, quedando desabastecidos muchos mercados.

Una buena alternativa es el uso de los residuos lignocelulósicos de la industria agrícola (pastos y rastrojo), la cual es abundante; y en vez de ser eliminados, pueden ser usados como materia prima para la producción de combustibles y otros productos derivados basándose en el modelo de las biorefinerías. Sin embargo, usar los residuos lignocelulósicos como materia prima en un proceso sumamente caro e ineficiente.

La lignocelulosa – como su nombre lo dice, está formado por celulosa y lignina – es la responsable de dar firmeza y rigidez a la pared celular de las plantas. Pero, la lignina tiene una estructura sumamente compleja, amorfa y heterogénea, que la hace muy difícil de ser degradada por procesos enzimáticos. Así que para ser usada como materia prima en la producción de biocombustibles se le debe hacer un pre-tratamiento con calor y/o ácidos fuertes la cual es perjudicial para el funcionamiento de las enzimas hidrolíticas que participan en el proceso. Además, los metabolitos secundarios que aparecen subproducto de la degradación de la lignina, son sumamente tóxicos para los organismos fermentadores que harán el proceso de conversión de los azúcares en etanol, siendo los altos niveles de acetato uno de los más perjudiciales.

Entonces, ¿como podemos mejorar el desarrollo de las biorefinerías? La forma tradicional es mediante la búsqueda de organismos capaces de degradar la lignina para aislar el gen que la codifica e insertarlo en un organismo más fácil de cultivar, buscar nuevos tratamientos para separar la lignina de la celulosa, desarrollar mejores organismos fermentadores que soporten altas concentraciones de etanol usando la ingeniería genética y la evolución dirigida, aislar nuevos organismos con la capacidad de sintetizar nuevos compuestos con alto valor agregado. Sin dudas, es un sector donde se puede investigar bastante y generar nuevos conocimientos.

Pero, ¿como podemos monitorear las mejoras?, ¿cómo saber si se está mejorando el proceso?. Los mejores indicadores son los costos, rendimientos, y balances de energía. Klein-Marcuschamer et al. del Laboratorio de Ingeniería Metabólica y Bioinformática del MIT, desarrolló un modelo que permite simular en una computadora todos los indicadores mejorados, antes de aplicarlos experimentalmente. Las condiciones iniciales de su modelo incluyen desde el transporte del rastrojo hacia las refinerías, pasando por el pre-tratamiento ácido, la sacarificación enzimática, la fermentación de los azúcares, y la combustión de la lignina asociada para la generación de energía. El investigador podrá variar los valores iniciales de costos o eficiencia química y hasta podrá calcular los niveles de gases de efecto invernadero liberados.

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Para los interesados en usar esta buena herramienta visiten: http://econ.jbei.org/ Cada investigador puede modelar su propio escenario y compartirlo con los demás ya que este programa está desarrollado para investigación y no para fines comerciales.

Antes de terminar, debemos recordar que, si bien los biocombustibles son un tipo de energía renovable, no solucionan el problema de la liberación de gases de efecto invernadero como el CO2. Por si no lo recuerdan, la combustión completa de una mol de etanol (C2H5OH) da como resultado 2 moles de CO2 y 3 de H2O. Además, si contamos todo el CO2 eliminado al ambiente en la producción de energía en la biorefinería, el CO2 liberado en el transporte de los residuos lignocelulósicos desde los campos de cultivo hasta las refinerías, no habría mucha diferencia con los combustibles fósiles.

Referencia:

Klein-Marcuschamer, D; et al. 2010. Technoeconomic analysis of biofuels: A wiki-based platform for lignocellulosic biorefineries. Biomass and Bioenergy. doi:10.1016/j.physletb.2003.10.071

Pueden descargar el artículo completo en: http://bit.ly/9pN5aZ

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