En la historia del desarrollo humano la transición de una economía basada en agricultura y producción artesanal, a una economía centrada en producción manufacturera a gran escala nos ha brindado muchos beneficios como: la mejora y avance tecnológico, desarrollo de infraestructuras, diversificación de la economía e integración global.
Sin embargo, esta denominada industrialización también ha sido acompañada por un uso desmesurado de recursos naturales, principalmente recursos fósiles en la producción a gran escala de energía y productos químicos, desencadenando consecuencias ambientales alarmantes como la emisión descontrolada de gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno y gases fluorados) y la contaminación de recursos naturales vitales (Takkellapati et al., 2018).
Estos impactos negativos han impulsado una creciente búsqueda de procesos y alternativas más sostenibles y menos perjudiciales a nivel global, especialmente en industrias clave como la química y petroquímica, que son responsables de aproximadamente el 10% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (Bauer et al., 2022). A pesar de las mejoras a nivel de eficiencia energética, la industria química sigue siendo una de las principales emisoras de sustancias contaminantes debido a su fuerte dependencia con los recursos fósiles (aplicación energética y uso de materias primas) (Bauer et al., 2022).
El vínculo entre la industrialización basada en recursos fósiles y los daños ambientales ha generado un debate global sobre la necesidad urgente de adoptar enfoques más sostenibles (K.N et al., 2023). Informes alarmantes sobre el cambio climático, la pérdida de biodiversidad y la contaminación han captado la atención internacional, llevando a gobiernos, empresas y la sociedad civil a buscar soluciones que armonicen el progreso económico con la preservación del medio ambiente (Heck et al., 2024). Entre las alternativas propuestas destacan la economía circular y los procesos de producción de bajas emisiones, como la electrificación, el uso de biomasa y la captación y almacenamiento de carbono. En este contexto, la biotecnología y la bioingeniería emergen como líderes en el desarrollo de tecnologías destinadas a reemplazar los procesos tradicionales que dependen de materias primas no renovables (Durán-Aranguren et al., 2022).
El uso de biomasa renovable como algas, bacteria, hongos, y plantas son una opción atractiva ya que se ha demostrado su potencial como materia prima para numerosos procesos biotecnológicos. Esto se debe a que poseen características como la neutralidad de carbono, la adaptabilidad para escalar a nivel industrial, y potencial para sustituir dentro del mercado materiales con mayor huella de carbono (Show et al., 2024).
“Residuos” Agroindustriales
La biomasa se define como material orgánico de origen vegetal o animal que abarca una variedad de materiales, incluidos residuos agrícolas, forestales, municipales, estiércol animal, cultivos energéticos y subproductos industriales (U.S. Energy Information Administration, 2023). En la búsqueda de alternativas a los recursos fósiles, la biomasa residual se ha identificado como un recurso que además de solucionar el problema de obtención de fuentes renovables, también nos permite abordar problemas relacionados con la disposición de residuos (Takkellapati et al., 2018).
La industria agroindustrial anualmente genera alrededor de 1.3 billones de toneladas de residuos que son comúnmente incinerados y transportados a rellenos sanitarios (Prado-Acebo et al., 2024). Esta forma de gestión de residuos contribuye significativamente a diversos problemas, como el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero y efectos perjudiciales para la salud humana y animal (atracción de vectores de enfermedades, contaminación del suelo y agua). Por lo tanto, la integración de los residuos, especialmente agroindustriales, en bioprocesos para aprovechar su composición surge como una solución prometedora.
Los residuos agroindustriales contienen proteínas, azúcares y minerales, destacando celulosa (31-45%), hemicelulosa (20-30%) y lignina (12-31%) como componentes principales de la pared celular vegetal (Aguiar et al., 2021; Sadh et al., 2018). Estos componentes pueden ser procesados con microorganismos para obtener productos valiosos:
- La celulosa, un polímero de glucosa, puede hidrolizarse en glucosa simple mediante procesos enzimáticos o químicos, y utilizarse en la producción de bioetanol, biogás y otros bioquímicos.
- La hemicelulosa, compuesta de varios azúcares como xilosa, arabinosa, manosa y galactosa, también puede hidrolizarse para producir productos como xilitol.
- La lignina, un polímero complejo de compuestos aromáticos y unidades monoméricas, es resistente a la degradación microbiana, lo que dificulta su transformación en productos de valor añadido. Sin embargo, de su procesamiento es posible obtener productos como fenoles, ácidos fenólicos, compuestos aromáticos, entre otros (Aguiar et al., 2021; Li Fei et al., 2022).
La composición descrita anteriormente representa un potencial de transformación en biocombustibles, bioquímicos y biomateriales, aprovechándose como materias primas de procesos metabólicos que ocurren dentro de organismos microbianos (K.N et al., 2023; Sadh et al., 2018). Estos procesos de bioconversión han sido un área de investigación intensiva en las últimas décadas, con el objetivo de acelerar la transición a una economía menos dependiente de recursos fósiles.
Ruta Biotecnológica
Los microorganismos, al igual que cualquier forma de vida, poseen la capacidad de transformar sustancias orgánicas mediante procesos bioquímicos facilitados por la acción de enzimas, permitiendo la síntesis de nuevas moléculas. Esta transformación, también denominada bioconversión, es utilizada por el enfoque de ruta biotecnológica; este abarca aspectos de diseño, optimización e implementación de procesos biotecnológicos, para la producción de diversos productos.
En la actualidad existen variedad de procesos biotecnológicos como fermentación, biorremediación, modificación de proteínas, biotecnología agrícola y cultivo de células y tejidos. Entre estas técnicas, la fermentación es ampliamente aplicada en la producción de biocombustibles, antibióticos, ácidos orgánicos, enzimas, polímeros biodegradables, entre otras sustancias. No obstante, llevar estos procesos de producción desde una escala de laboratorio a escala industria presenta desafíos como: mantener una mezcla homogénea de nutrientes y oxígeno, gestionar variaciones de temperatura, variaciones de pH y presión osmótica (Pfleger & Takors, 2023). Por ello, la etapa de estudio de escalabilidad es un aspecto crucial que determina la viabilidad y rentabilidad del bioproceso.
El diseño de bioprocesos requiere varias etapas de estudio antes de ser implementado a escala industrial. Inicialmente, se busca aumentar la eficiencia de la fermentación, lo cual depende de dos factores clave: un pretratamiento efectivo de la biomasa vegetal para extraer compuestos como lignina, celulosa y hemicelulosa; y la selección adecuada de microorganismos que reduzcan la formación de compuestos tóxicos y optimicen los rendimientos del producto deseado (Viabhav Kumar Upadhayay et al., 2021).
Según Cuadrado-Osorio et al. (2022), el diseño del bioproceso abarca varias etapas clave:
- La bioprospección: que implica la selección de cepas de microorganismos capaces de metabolizar la materia prima, utilizando tecnologías ómicas para optimizar la producción de compuestos activos.
- El proceso de fermentación: donde se define las condiciones operativas para la producción en sistemas de fermentación sólida o líquida, optimizando el crecimiento y metabolismo del microorganismo.
- Los procesos de separación y recuperación: que permiten extraer eficientemente el componente activo del medio de fermentación.
- La formulación: donde el componente activo se estabiliza y se adecúa para su aplicación final, considerando factores como concentración, forma física y compatibilidad con otros ingredientes.
- El escalado: donde se verifica si los resultados obtenidos a pequeña escala pueden replicarse a nivel industrial, manteniendo la productividad y calidad.
- Registro, lanzamiento e introducción: que consiste en el proceso de llevar el bioproducto al mercado, asegurando el cumplimiento de los requisitos regulatorios y desarrollando estrategias de mercado para garantizar que cumpla con los estándares de seguridad y calidad requeridos.
El estudio del diseño de proceso descrito anteriormente, debe adaptarse y optimizarse para obtener un sistema económicamente viable. Por lo tanto, el rendimiento económico del proceso deberá compararse con diferentes configuraciones de proceso, buscando aquel que sea más atractivo para los inversores.
En los últimos años, la ruta biotecnológica ha ganado atención por su potencial para desarrollar procesos sostenibles que sustituyan los combustibles y productos químicos derivados del petróleo. Sin embargo, la producción a gran escala de productos químicos básicos mediante biotecnología no ha crecido como se esperaba debido a varios factores: la baja competitividad de las fábricas celulares de bioprocesos frente a los procesos petroquímicos bien establecidos, la necesidad de un mercado en crecimiento para justificar nuevas inversiones y las fluctuaciones del precio del petróleo, que complican las predicciones financieras (Nielsen et al., 2022).
Estos factores hacen de la transición a modelos sostenibles un proceso complejo, pero no ha detenido los continuos esfuerzos para desarrollar bioprocesos que puedan ser llevados a la industria, principalmente con productos específicos (diferentes a los productos químicos básicos) que pueden ser competitivos en el mercado. De hecho, pequeñas start-ups han sido un ejemplo destacado de estos esfuerzos, como:
- Amyris, es una compañía que ha logrado escalar y manufacturar productos fermentados a partir de biomasa lignocelulósica (principalmente proveniente de los cultivos de caña de azúcar) y mediante la ruta biotecnológica. Entre los productos obtenidos se encuentran nueve moléculas especializadas, incluyendo manool para la industria de fragancias, bisabolol para aplicaciones cosméticas, terpenoides como RebM para aplicaciones edulcorantes, entre otros productos no terpenoides (amyris, n.d.; Hill et al., 2020).
- Genomatica, es una compañía de biotecnología que ha logrado obtener y escalar el proceso de producción de bio-BDO (1,4-butanodiol utilizado para la producción de variedad de polímeros como plásticos, poliésteres y fibras expandex) a partir de materias primas como caña de azúcar, remolacha azucarera y otras fuentes de carbohidratos (Burgard et al., 2016; John Cumbers, 2021).
- LanzaTech, cuyo enfoque es la producción de compuestos como etanol, jet fuel y químicos de valor agregado a partir de gases de escape de refinería, complejos petroquímicos, syngas generado a partir de biomasa (incluyendo residuos sólidos urbanos), residuos industriales orgánicos y residuos agrícolas (BASF, n.d.). Sin embargo, a diferencia de la fermentación tradicional, el proceso de LanzaTech fermenta gases en lugar de azúcares utilizando enzimas o bacterias.
Las crecientes presiones políticas para construir sociedades menos dependientes de los combustibles fósiles han aumentado el interés en el desarrollo de productos químicos básicos de origen biológico. Los ejemplos mencionados anteriormente representan solo una parte de los esfuerzos actuales por reducir esta dependencia. Aunque actualmente no es viable competir directamente con los productos químicos básicos derivados del petróleo crudo, existe la oportunidad de ingresar al mercado con productos específicos, como los casos de ejemplo descritos. A partir de estos ejemplos, se puede desarrollar una infraestructura de bioprocesos que, en el futuro, permita obtener sustancias químicas básicas capaces de competir directamente con aquellas producidas en el sector petroquímico.
Aunque el camino hacia la sustitución completa de los combustibles fósiles aún presenta desafíos, el desarrollo de estos productos químicos de base biológica representa un paso importante en la transición hacia una economía más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.
Autor: María Fernanda Cajiao Pedraza, Docente interno en EADIC para el Máster en Ingeniería Química.
Bibliografía
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