Biocombustibles e investigación en plantas Los biocomustibles sn aquellas moléculas (bioetanol, biobutanol, biodiésel, etc.) obtenidas a partir de azúcares o grasas de las plantas y que se utilizan como combustible. El midón y los azúcares, así como también las grasas, presentes en la planta se utilizan como materia prima para su transformación en bioetanol, o biodiésel. Se consideran energías renovables o “verdes” por el hecho de que el CO2 generado en su combustión, a diferencia de los combustibles derivados del petróleo, procede del CO2 atmosférico fijado por la fotosíntesis y reciclado de nuevo por las plantas para el propio crecimiento y la generación de nueva biomasa. Por tanto, se espera que el equilibrio final de emisiones de CO2 desde su fijación hasta su retorno a la atmósfera sea negativo. No obstante, existen otros factores que influyen o reducen el nivel de reciclaje del CO2. Hay que considerar también el propio proceso de sembra y recogida de los cultivos, la conversión de la biomasa en biocombustibles o el impacto de la conversión de terrenos salvajes en nuevos campos de cultivo destinados a este propósito. Para crear biomasa vegetal, las plantas necesitan, además de luz, dióxido de carbono (CO2) y a partir del cual generan moléculas orgánicas de medida más grande. Por ello, se esperaría que el uso de las plantas con finalidades energéticas contribuyera a reducir los niveles de emisión de CO2 de los combustibles actuales.
Bioetanol
El bioetanol es la molécula de etanol que se ha obtenido a partir de los azúcares de la biomasa de los cultivos vegetales, con la finalidad de de utilitzarlo como combustible. Se obtiene fundamentalmente de dos tipos de biomasa: del azúcar (sacarosa) almacenado en la caña de azúcar o del midón de reserva presente en el grano de maíz. En el primer caso, el etanol se obtiene de la fermentación anaeróbica de los dos monosacáridos que forman la sacarosa -fructosa y glucosa-, mediante la acción de levaduras. Estos microorganismos, por acción de sus mecanismos enzimáticos, convierten el azúcar en alcohol.
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En el caso del midón, al ser una molécula más compleja, previo al proceso de fermentación habrá que hacer una hidrólisis, en contenedores diseñados con esta finalidad, para producir los azúcares sencillos (amilosa y/o amilopectina) que se utilizaran para llevar a cabo la fermentación y la producción de etanol. Actualmente, los principales productores de bioetanol son el Brasil, que basa la producción en los cultivos de caña de azúcar, y los Estados Unidos, que se basan en cultivos de maíz.
Biobutanol La molécula de biobutanol contiene cuatro átomos de carbono en vez de los dos que tiene el etanol. El proceso de conversión de la biomasa es el mismo que para el bioetanol, con la diferencia que en el proceso de fermentación se utilizan otros microorganismos, en general, bacterias que son capaces de producir naturalmente butanol.
Visión panorámica de un cultivo de caña de azúcar en el estado de Sao Paulo, Brasil. Fuente: Mario Roberto Duran Ortiz . Wikimedia Commons.
Biodiésel Su producción proviene de la conversión de los ácidos triglicéridos a partir de plantas oleaginosas como la colza, la soja, el girasol y la palma. La obtención de biodiésel se inicia directamente utilizando el aceite almacenado en estas plantas, el cual se extrae mediante tratamiento con solventes orgánicos. Este aceite está compuesto de triacilglicéridos. Es un tipo de molécula de carácter lipídico formado por una molécula de glicerol unida a tres moléculas de ácidos grasos que contienen cadenas de átomos de carbono. Estas cadenas son la materia prima para la producción de biodièsel. Los aceites se someten a una reacción de transesterificación, es decir, la incubación de este aceite con un alcohol ligero (como el metanol) para producir metiléster, o más comunmente conocido como biodiésel, y liberando glicerol, componente que puede tener otros usos industriales.
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Plantas: ¿un cultivo ideal para producir combustibles? ¿Se puede pensar en un cultivo de plantas ideal para las finalidades energèticas? Pues, própiamente no, porque no habría un único cultivo que sea útil para todo; pero sí que hay una serie de requisitos que hacen que algunas especies de plantas sean más óptimas para la producción de biocombustibles.
Miscanthus synensis (Japón). Fuente: M. Miya. Wikimedia Commons.
Las especies de los géneros Miscanthus, que es originaria del Japón, y Panicum, de los Estados Unidos, están siendo fuente de numerosos estudios porque producen mucha biomasa de manera eficiente. Pero requieren muchos recursos hídricos, lo que hace que en España, por ejemplo, sólo se pueda plantear su cultivar en Galícia.
La adecuación óptima de plantas energéticas será variable en las diferentes regiones del planeta, en función de las condiciones climáticas, de la disponibilidad de campos de cultivo y de las infraestructuras desarrolladas para éstas.
De manera general, deben ser plantas que tengan la capacidad de generar la mayor cantidad de biomasa posible por unidad de superfície cultivada con el mínimo de recursos empleados. Por un lado, han de ser muy eficientes en sus mecanismos moleculares para convertir la energía solar en energía química y posterior producción de biomasa. Y, por otro lado, deben tener la capacidad de producir gran cantidad de biomasa sin que ello requiera grandes aportes de nutrientes y de recursos hídricos, y que se adapten fácilmente al medio, disminuyendo el uso de adobes y pesticidas.
Aceptación social La posibilidad de cultivar plantas en terrenos marginales y que, por tanto, no interfieran con los cultivos alimentarios puede ser un criterio fundamental para la acceptación social de los cultivos con finalidades energéticas.
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Nuevas fuentes de biocombustibles La rápida implantación del uso de plantas para la producción de biocombustibles se explica por la relativa fácil conversión de la materia prima vegetal (azúcares y grasas) en biocombustibles. No obstante, utilizar ests compuestos únicamente con finalidades energéticas implica que se desaproveche la mayor parte de la biomasa vegetal y que se usen grandes extensiones de cultivo, en un contexto saturado en muchos lugares del planeta. Además, plantea problemas de carácter social y ambiental: estos cultivos poden originar una competencia con la producción de alimentos que haría encarecer el precio de alimentos básicos –el precio de biocombustible tiene que ser compatible con el dels derivados del petróleo-.También puede provocar una presión para la puesta en cultivo de suelos silvestres. Para evitar la proliferación de campos de cultivo con finalidades energéticas en regiones selváticas del planeta y/o el desplazamiento de los cultivos destinados a la alimentación, la mayoría de estudios realizados apuntan a una progresiva sustitución de los cultivos actuales (caña de azúcar, maíz) para nuevos cultivos de plantas que bien aprovechen toda la planta, bien se basen en nuevas especies que sólo tengan interés para la producción de biocombustibles. Aprovechar los azúcares almacenados en la pared celular de las plantas o modificar las grasas con herramientas biotecnológicas pueden ser estrategias para aprovechar la mayor parte de la biomasa de la planta y/o producir combustibles con eficincia.
Biomasa lignocelulósica del maíz El maíz, uno de los cultivos más importantes del mundo, también se ha utilizado como fuente para producir bioetanol, con el objetivo de sustituir los combustibles fósiles. Inicialmente, el bioetanol se ha producido a partir de azúcares acumulados en las semillas (bioetanol de primera generación), y por tanto con una competencia directa con los campos tradicionalmente dedicados a la producción de alimentos y de comida. Planta de maíz (Zea mays) con los penachos en formación. Fuente: burgkirsch. Wikimedia Commons.
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Una posible solución para evitar este concurso podría ser el uso del rastrojo de maíz (biomasa lignocelulósica). A pesar de la gran cantidad de celulosa acumulada en el rastrojo, hasta ahora se había descartado por su interacción con el polímero de la lignina. La interacción de la lignina y la celulosa implica que un porcentaje importante de estos polisacáridos no podía ser fácilmente extraído para la producción de bioetanol celulósico (bioetanol generación de secundaria). La lignina es, pues, el componente que afecta más negativamente la producción de bioetanol celulósico a partir de la biomasa lignocelulósica.
Biomasa lignocelulósica y el Centro de Investigación en Agrigenómica (CSIC-IRTA-UAB-UB)
Investigación sobre el metabolismo de plantas. Fuente: CRAG (CSIC-IRTA-UAB_UB)
Representación esquemática de las relaciones entre los principales constituyentes de la pared celular vegetal (celulosa, lignina y hemicelulosa). Fuente: José del Río. IRNAS-
La investigación del grupo Bioingeniería de la biomasa lignocelulósica del maíz del Centro de Investigación en Agrigenómica (CSIC-IRTAUAB-UB) está dirigido a comprender cómo la modificación de genes de lignina afecta el contenido y la composición de la lignina y polímeros polisacáridos dentro de las paredes celulares de maíz. Este conocimiento es básico para encontrar soluciones biotecnológicas que lleven a producir nuevas líneas de maíz con valores nutricionales y energéticos modificados de la biomassa lignocelulósica, y aumentar tanto como sea posible el contenido de polisacáridos disponible para la producción industrial de bioetanol.
Biotecnología de los triacilglicéridos Una altra línia de recerca per tal de millorar l’eficiència dels cultius de plantes per a la producció de biocombustibles està centrada en la modificació biotecnològica de les plantes oleaginoses que s’utilitzen per a la producció de biodièsel. En aquest sentit, es busca produir plantes amb una biomassa enriquida en triacilglicèrdis (TAG). En aquest cas, és necessari major coneixement de les xarxes metabòliques capaces de sintetitzar els diferents tipus de TAG produïts per les plantes oleaginoses. - 5 - Energía Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
Para saber más cosas, os recomendamos la publicación:
Puigdomènech, P. y Caparrós, D. La energía de los vegetales. Fundació Gas Natural. Barcelona, 2011.
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