Biorrefinerías de residuos agroindustriales para la producción de lípidos, proteínas, antioxidantes y biocombustibles

bIORREFINERíAS DE residuos

agroindustriaLes para la producción dE lípidos, protEínas, antioxidantEs y biocombustiblEs

Por: Reyes Reyes, Ana Laura INIFAP / CIATEJ Sandoval Georgina CIATEJ.

Las biorrefinerías [1] en analogía con las refinerías de petróleo, involucran procesos donde es posible obtener una diversidad de productos a partir de biomasa, como productos químicos y biocombustibles.

Cuando dicha biomasa proviene de residuos como los agroindustriales, los biocombustibles obtenidos se consideran “avanzados” [2], ya que no son de cultivos alimenticios como los de primera generación. Y contribuyen a lograr un mejor medio ambiente y a la economía circular, que aboga por utilizar la mayor parte de materiales biodegradables posibles en la fabricación de bienes de consumo para que éstos puedan volver a la naturaleza sin causar daños medioambientales [3] .

Esta filosofía se sigue en proyectos recientes de investigación y desarrollo nacionales, como los del Centro Mexicano de Bioenergía (CEMIE-Bio) [4] y en las biorrefinerías que desarrolla el Clúster Biodiésel Avanzado que coordina el CIATEJ en Jalisco [5] .

Dichas biorrefinerías (Figura1), utilizan levaduras como biofábricas de lípidos. Por ejemplo aceites unicelulares (SCO por sus sigla en inglés single cell oils), que pueden ser materia prima para biodiésel); proteínas (ya sea proteína unicelular con valor nutricional; o enzimas que a su vez servirán como biocatalizadores

para la producción de biodiésel), antioxidantes (como ácido cítrico que tiene varias aplicaciones alimenticia e industriales) y biocombustibles como el biodiésel y el bioetanol. Las levaduras son alimentadas con residuos agroindustriales, tanto sólidos como pajas o bagazos, incluyendo el de agave [6]; o líquidos como vinazas, o glicerol residual de la producción de biodiésel [7]. Para producir aceites y proteína unicelulares; y ácidos orgánicos que sirven como antioxidantes, o para la producción de biopolímeros [8] .

En cuanto a los combustibles, el escenario mundial sobre el requerimiento del diésel lleva una tendencia al alta, todo lo contrario, ocurre con las reservas fósiles de donde se obtiene. Aunado a ello, la cuestión medioambiental, actualmente exige la producción de combustibles compatibles y amigables con el entorno. Sobre esto, es como se perfilan la generación de una diversidad de biocombustibles elaborados a partir de biomasa, que permiten el aprovechamiento agroindustrial y material residual disponible. En este sentido, para en la cadena de producción de biodiésel, la materia prima puede ser aceite vegetal extraído de “cultivos energéticos” de oleaginosas como piñón mexicano e higuerilla, entre otras [9]. Sin embargo, las materias primas no se limitan al uso de aceites vegetales puros.

También puede elaborarse biodiésel a partir de los aceites unicelulares que se producen en las biorrefinerías antes mencionadas, así como de grasas y aceites residuales, que es el caso más

Figura 2

usual en nuestro país, ante la baja producción de oleaginosas [10] .

Técnicamente, la obtención de biodiésel ocurre mediante catálisis ya sea química (ácida y básica) o enzimática (Figura 2). De estas, la catálisis básica es la más empleada por los costos bajos de producción, pero los rendimientos, calidad y compatibilidad ambiental no son los más viables. La catálisis ácida, permite el uso de aceites y grasas residuales, no obstante, el costo y el requerimiento de agua para la eliminación de los residuos, no impactan positivamente la visión técnica y ambiental. En búsqueda de nuevas alternativas, la catálisis enzimática promete ser una alternativa ecológica, social y adecuada en la industria bioenergética, ya que los productos son de alta calidad, con una mayor pureza y se generan menos contaminantes residuales [11] .

Instituciones como el CIATEJ, se encuentran trabajando con la generación de nuevos sistemas de biocatalizadores, con fines de facilitar la disposición de enzimas que permitan el aprovechamiento de aceites y grasas puros o residuales para la conversión a biodiésel. Para ello, en el Laboratorio de Innovación en Bioenergéticos y Bioprocesos Avanzados (LIBBA) del CIATEJ, además de ofrecer servicios para la determinación de calidad (mediante técnicas certificadas ante la ema) y producción de biodiésel de diferentes fuentes; se tiene como una de las varias líneas de investigación, el desarrollo de tecnología para la expresión heteróloga de lipasas de plantas [12] . Resultados recientes, muestran que las enzimas lipasas presentes en el látex de Carica papaya tienen un gran potencial como biocatalizadores en la

generación de este biocombustible, ya sea en su forma auto-inmovilizada en el látex de papaya semi-purificado [13], o recombinante [14]. Estas mismas enzimas, pueden aprovecharse en otras áreas industriales. Por lo que resulta atractiva su producción a escala. De aquí el interés en la producción en sistemas recombinantes heterólogos, en donde, se parte de un gen de interés que luego es clonado dentro de un vector de expresión, posteriormente se transforma en una levadura y finalmente se evalúa la producción de la enzima.

Hasta el momento, en LIBBA se cuenta con una colección de resguardo de cepas transformadas con lipasas de plantas, sobre las cuales se plantea explorar los rendimientos de producción que pueden obtenerse tras el empleo de estas nuevas enzimas heterólogas. A futuro se visualiza la modificación de estas proteínas con el propósito de realizar mejoras para incrementar los rendimientos, estabilidad y reutilización de estas, en la producción de biocombustibles a partir de materia prima de diversas fuentes y calidad, para generar biocombustible que cubra los estándares nacionales [15] e internacionales [16-17] .

Bibliografía:

1.Universidad del Valle. Biorrefinerías. https://www.youtube.com/watch?v=MW4REqjHhB0 2.G Sandoval. (2010). Biocombustibles avanzados en México: estado actual y perspectivas. Cuadernos temáticos sobre bioenergía, CT2. Red Mexicana de Bioenergía. http://rembio. org.mx/wp-content/uploads/2014/12/CT2.pdf 3.ACCIONA. ¿En qué consiste la economía circular? https://www.youtube.com/watch?v=wc_65-yf6zU&feature=youtu.be 4.FSEH CONACYT. CEMIE Bio https://www.youtube.com/watch?v=kXcR9xoC2WE 5.Clúster Biodiésel Avanzado https://bdavanzado.org/ 6.X Niehus, AM Crutz-Le Coq, G Sandoval, JM Nicaud and R Ledesma-Amaro. Engineering Yarrowia lipolytica to enhance lipid production from lignocellulosic materials. Biotechnology for Biofuels volume 11, Article number: 11 (2018). 7.X Niehus, L Casas-Godoy, FJ Rodríguez-Valadez, G Sandoval. Evaluation of Yarrowia lipolytica Oil for Biodiesel Production: Land Use Oil Yield, Carbon, and Energy Balance. Journal of Lipids. Volume 2018, Article ID 6393749 (2018). 8.G Sandoval et al. Proceso para obtener lípidos, proteínas y ácidos orgánicos, a partir de residuos agroindustriales utilizando Yarrowia lipolytica. Solicitud de patente MX/a/2016/009575. 9.A. Zamarripa López, J Solís y B Martínez, Evaluación del balance energético en la asociación de J. curcas L.-Zea mays L. para la seguridad energética y alimentaria. Resumen en Memoria LVI Reunión Anual del PCCMCA. El Salvador (2011) 10.FAO. 11.M Vargas, X Niehus, L Casas-Godoy, G Sandoval, Lipases as Biocatalyst for Biodiesel, in: G. Sandoval (Ed.), Lipases and Phospholipases: Methods and Protocols, 310 Springer New York, New York, NY, 2018, pp. 377-390 12.I Rivera, M Robles, JC Mateos, A Gutiérrez and G Sandoval. Functional expression, extracellular production, purification, biochemical characterization and structure model of Carica papaya Lipase 1. Process Biochemistry 56. 109–116 (2017). 13.I Rivera, Sandoval G. Caracterización de diversas fracciones del látex Carica papayacomo biocatalizadores en la hidrólisis de triglicéridos. Grasas y Aceites, 65(1) e003 (2014). 14.J Rodrigues, A Canet, I Rivera, NM Osório, G Sandoval, F Valero, S Ferreira-Dias, Biodiesel production from crude Jatropha oil catalyzed by non-commercial immobilized heterologous Rhizopus oryzae and Carica papaya lipases, Bioresource Technology, 213, 88-95 (2016). 15.DOF, Lineamientos por los que se establecen las especificaciones de calidad y características para etanol anhidro (bioetanol), biodiésel y bioturbosina puros, Diario Oficial de la Federación: 22/10/2018 (2018). 16.ASTM, Standard Specification for Biodiesel Fuel Blend Stock (B100) for Middle Distillate Fuels, ASTM D6751 - 20, American Society for Testing and Materials (2020). 17.EN, Liquid petroleum products. Fatty acid methyl esters (FAME) for use in diesel engines and heating applications. Requirements and test methods, EN 14214:2013 V2+A2:2019,315 European Norm (2019).