Español (pdf)
Articulo en XML
Referencias del artículo
Traducción automática
Enviar articulo por email
Citado por SciELO 
Similares en
SciELO 
Permalink
INTRODUCCIÓN
En los últimos años, la búsqueda de tecnologías limpias y renovables para la producción de combustibles y moléculas derivadas de alto valor agregado a partir de la biomasa lignocelulósica viene en aumento. No obstante, el uso de esta materia prima presenta varios retos, derivados de su composición y de la intrincada conformación estructural. Esto debido a que esta biomasa vegetal está constituida por macromoléculas como la celulosa, hemicelulosa y lignina, las cuales han sido diseñadas por la naturaleza para resistir los ataques físicos, químicos o biológicos y preservar su conservación en los ecosistemas terrestres 1,2.
Por esta razón, su procesamiento industrial de manera sostenible e integral aún representa un desafío en nuestros días por lo que, se proponen tanto vías termoquímicas como vías de base biológica para su aprovechamiento 1. La principal finalidad y ventaja de un enfoque biotecnológico es la valorización de cada molécula componente de la biomasa, más allá de la producción exclusiva de biocombustibles, mediante una descomposición selectiva de las macromoléculas en condiciones suaves elevando la viabilidad industrial de los proyectos asociados. Así es que surge el concepto de biorefinerías, debido a la necesidad de integración de varios procesos unitarios (pirolisis, gasificación, licuefacción, hidrólisis, etc.) asociados para producir una amplia gama de productos de base biológica. Como ventajas de este sistema integrado se pueden mencionar: la mejora de los rendimientos globales del proceso y la posibilidad de aplicación de la economía circular al promover una completa valorización de las fracciones resultantes de los procesos de fragmentación de la matriz vegetal 2,3. El concepto es análogo a una refinería de petróleo y conduce a largo plazo al incremento de la rentabilidad mediante la flexibilización de los tipos de productos.
En este contexto, la primera etapa de desconstrucción de la pared vegetal está representada por los métodos de pretratamiento cuyo principal objetivo es la separación de los componentes principales, los cuales son la celulosa, hemicelulosa y lignina 3,4. La segunda etapa para la obtención de biocombustibles y/o aprovechamiento de moléculas contenidas en las corrientes generadas por estos pretratamientos, es la hidrólisis enzimática de la celulosa mediante el uso de complejos celulolíticos específicos que contienen mayoritariamente las enzimas celulasas, complementadas con las llamadas enzimas accesorias 3. Además de la conocida sacarificación de la celulosa, hoy los complejos celulolíticos permiten también la degradación de fracciones de hemicelulosa y el uso de compuestos aromáticos de la lignina remanentes del procesamiento precedente 4,5.
MATERIALES Y MÉTODOS
BIOMASA LIGNOCELULOSICA
En términos generales, la biomasa es un material derivado de la reacción entre CO2 en el aire, agua y luz solar y una de las fuentes de energía renovable más extendida y prometedora en la actualidad 6. Esta puede clasificarse en tres categorías en función a su procedencia como se muestra en la Tabla 1.
El valor de cada tipo de biomasa depende de sus propiedades físicas y químicas, además del tamaño de sus moléculas componentes y de la facilidad de extracción de su energía almacenada.
Estructuralmente, el material lignocelulósico está compuesto por especies denominadas macromoléculas como lo son lignina, hemicelulosa y celulosa, responsables de sus propiedades físico-químicas y de su conformación tridimensional, cuya representación puede ser visualizada en la Figura 1.
Fuente: Elaboración propia basado en 9
Figura 1 Representación esquemática de los componentes de la biomasa lignocelulósica
Además, como componentes menores se mencionan las especies de baja masa molar, que pueden ser orgánicas (materia extractiva como taninos, estilbenos, lignanos, flavonoides, ácidos alifáticos, ésteres, terpenos; alcoholes) o inorgánicas (cenizas compuestas por minerales como potasio, calcio, magnesio, silicio) 8. Algunos conceptos relacionados con las propiedades y funcionalidades de los macrocomponentes importantes para la producción de moléculas derivadas se presentan en las siguientes secciones.
Celulosa
La celulosa es uno de los biomateriales más abundantes en el planeta, representa alrededor de 40 a 50% de la biomasa en peso siendo considerado la fracción mayoritaria 10. Estructuralmente es un polímero polisacárido compuesto exclusivamente por monómeros β-D-glucopiranosa (glucosa) que forman cadenas lineales unidas mediante enlaces β-1,4-glucosídicos. La estructura de la celulosa, y los enlaces y fuerzas intermoleculares que mantienen unidas las microfibras de celulosa puede observarse en la Figura 2. Debido a su estructura, las cadenas de celulosa se unen por puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals intermoleculares formando agregados (microfibrillas). Estos enlaces químicos que unen los átomos de oxígeno e hidrógeno de moléculas de glucosa adyacentes disponen las cadenas de celulosa de forma paralela y, pueden inducir al orden (cristalinidad) o al desorden (amorfismo) en la estructura molecular. En la Tabla 2, se mencionan algunas propiedades características importantes de la celulosa para su procesamiento.
Fuente: Elaboración propia basado en 9
Figura 2 Estructura de la celulosa y enlaces inter e intra cadenas
Hemicelulosa
Es un biopolímero heteropolisacárido, compuesto por diferentes monómeros: pentosas (xilosa y arabinosa) y hexosas (glucosa, manosa y galactosa). La columna vertebral de la hemicelulosa es una cadena ramificada unida principalmente por enlaces β-1,4-glucosídicos y en menor cantidad enlaces β-1,2 β-1,3; β-1,6- glucosídicos como se puede ver en la Figura 3.
Las hemicelulosas tienen menor masa molar que la celulosa y estructuralmente tienen como función servir de conexión entre la lignina y la celulosa gracias a las uniones no covalentes que forman con la superficie de las microfibrillas de celulosa 9,10. Además, las hemicelulosas representan el componente más susceptible de sufrir transformaciones desde el punto de vista térmico y químico 11,13. Para el caso de la celulosa, la remoción de al menos un 50% de la hemicelulosa incrementa de manera significativa su digestibilidad 14. Algunas características notables se observan en la Tabla 3.
Lignina
Es un heteropolímero no polisacárido presente en la pared celular constituido por compuestos aromáticas como las unidades de fenilpropano que se pueden observar en la Tabla 4. Estructuralmente, tiene las funciones de unir las fibras para mejorar la compacidad y resistencia mecánica de la planta.
La Figura 4 muestra la estructura de la lignina, con los tres alcoholes precursores cumarílico, conoferílico y sinapílico, en los cuales se observan grupos metoxilo e hidroxilo, que permiten la formación de los enlaces puente de hidrógeno y fuerzas intermoleculares como enlaces de Van der Waals 6. La lignina también, es conocida por su efecto incrustante, ya que recubre las fibras vegetales, razón por la cual es identificada como una de las principales barreras al ataque químico y biológico 11,17. Este componente es principalmente soluble en soluciones alcalinas, sin embargo, según su solubilidad en soluciones ácidas, puede clasificarse como insoluble y soluble. La lignina insoluble es el residuo remanente del tratamiento de las fibras vegetales con una solución de ácido sulfúrico al 72% a temperatura ambiente seguido de una hidrólisis con el mismo ácido al 3% y elevadas temperaturas 18,19.
El contenido de lignina en los diferentes tipos de plantas es variable, en madera es de 20 a 40% mientras que las especies acuáticas y herbáceas que son menos lignificadas, es de 21 a 14% respectivamente 8.
PRODUCTO DE LOS DERIVADOS DE LOS COMPONENTES DE LA BIOMASA
Productos derivados de la celulosa
Varios subproductos derivados de la celulosa pueden ser de gran valor para el mercado. En la Tabla 5, se observan algunos ejemplos de subproductos y sus métodos de obtención, así como las industrias en las que se utilizan.
Por ejemplo, se puede obtener ácido fórmico en solución mediante la oxidación de la glucosa obtenida a partir de la descomposición de la celulosa 20. Las condiciones de obtención del ácido fórmico son: una temperatura de 160°C y una presión de 3MPa, usando como catalizador el ion vanadilo (VO2+) (20). Una de las aplicaciones más prometedoras de este ácido es el almacenamiento energético mediante pilas de combustible usadas para la generación de electricidad y automóviles. Además, el ácido fórmico se usa como conservante con fines alimenticios y para obtención de hidrógeno, una fuente prometedora de energía limpia, ya que puede convertirse eficientemente en dióxido de carbono e hidrógeno mediante su rápida descomposición a través de una reacción hidrotermal o catalítica 27,28.
Productos derivados de la hemicelulosa
Para el caso de los derivados de la hemicelulosa, se seleccionaron como ejemplos de la Tabla 6, el furfural, xilitol y los xilooligosacarídeos, los cuales tienen un impacto significativo en la industria.
Productos derivados de la lignina
La división o ruptura de los enlaces tipo C-O predominantes en la estructura de la lignina conduce a su degradación en varias sustancias químicas sub categorizadas como fenoles, aldehídos y ácidos aromáticos 21. Algunos de los derivados de la lignina, así como los tipos de tratamiento aplicados para su obtención se visualizan en la Tabla 7.
Actualmente, los subproductos derivados de la lignina vienen siendo intensamente investigados debido a la compleja estructura de esta macromolécula que dificulta el procesamiento posterior y la valorización de este biopolímero 37. Una posible ruta para superar los problemas antes mencionados es el uso de la lignina a nanoescala con propiedades mejoradas en relación con el área superficial que facilitan las interacciones químicas y físicas necesarias para aplicaciones farmacéuticas y cosméticas 38.
MÉTODO DE DESCONSTRUCCIÓN DE LA MATRIZ LIGNOCELULÓSICA
Existen varios métodos de pretratamiento de la biomasa cuyo impacto se refleja tanto en las propiedades fisicoquímicas del producto objetivo, en los procesos aguas abajo conducentes a su recuperación, concentración y purificación, como en la generación y manejo de residuos de toda la biorrefinería. Para seleccionar el método más adecuado, este debe minimizar el consumo de energía, hacer uso eficiente del catalizador a utilizar y evitar la formación de inhibidores 39. En la Tabla 8, se presenta una comparación entre los métodos químicos de pretratamiento más investigados en la literatura.
La generación y concentración de los subproductos en las corrientes generadas en los pretratamientos dependen del agente químico usado y, en general de la severidad aplicada, por ejemplo, los pretratamientos ácidos generan, como subproductos el furfural, el hidroximetilfurfural y los ácidos acéticos y/o leuvinílico, etc. En el caso de los derivados de los tratamientos alcalinos y solventes orgánicos las corrientes generadas contienen fracciones aromáticas de la lignina y/o oligómeros de la hemicelulosa 43,50,51.
HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA DE LA BIOMASA
La vía biológica de procesamiento integral de la biomasa presenta como etapa siguiente al pretratamiento, la hidrólisis enzimática de la fracción insoluble compuesta principalmente por celulosa y fracciones menores de hemicelulosa y lignina insolubles. Los biocatalizadores de esta reacción son complejos enzimáticos celulolíticos específicos, y el principal producto consiste en azúcares fermentables de glucosa derivados de la celulosa, siendo que también pueden obtenerse otras moléculas que representan bloques de construcción para un posterior procesamiento, como se mostró en la sección III. Estas enzimas tienen gran impacto en el costo de operación de todo el proceso de aprovechamiento de la biomasa por lo que su mejoramiento continuo favorece directamente la viabilización del concepto de biorrefinería en escalas comerciales. Podemos mencionar algunas iniciativas enfocadas en su desarrollo para aplicación a nivel industrial. Por ejemplo, la búsqueda estratégica y validación de combinaciones de preparados enzimáticos de celulasas y enzimas accesorias selectivas para alcanzar el mejor rendimiento de acuerdo a la variabilidad de la composición y estructura de la biomasa pretratada 52.
La estabilidad de las enzimas en ambientes industriales es diferente a escala de laboratorio lo que ofrece un desafío en la reproducibilidad de los resultados a mayores escalas. Así, su desarrollo también es orientado al mantenimiento de la actividad catalítica y del rendimiento en presencia de inhibidores y en ambientes severos que priorizan mayores cargas de sólidos y temperaturas más elevadas de reacción 53.
Celulasas, enzimas accesorias y mecanismos
Las enzimas celulasas pertenecen a la clase de las hidrolasas, tradicionalmente han sido definidas como un complejo enzimático constituido por tres proteínas: endoglucanasa (EG), exoglucanasa (CBH) y β-glucosidasa, las cuales tienen acción sinérgica sobre la celulosa para obtener glucosa 4. Convencionalmente se conocía que, durante la hidrólisis de la celulosa con celulasas, las fracciones de los otros componentes de la matriz vegetal remanentes de los procesos de pretratamientos perjudicaban este proceso porque actuarían como sustancias inhibidoras o barreras físicas. No obstante, desde el descubrimiento y aplicación de las enzimas monooxigenasas líticas polisacáridos (LPMOs) en los cocteles de celulasas, hace un poco más de una década, la visión de la acción celulolítica cambió y las LPMOs permitieron otorgar una función importante a las fracciones aromáticas derivadas de la lignina 54,55. Las LPMOs se clasificaron en la base de datos de enzimas activas de carbohidratos “CAZY” como proteínas de "actividad auxiliar" (AA) 56. En esta base de datos, se encuentran las familias de LPMOs AA9, AA10, AA11, AA13, AA14 y AA15 de acuerdo a su microrganismo productor 57.
Desde el punto de vista de su mecanismo de acción, las LPMO son enzimas dependientes de cobre que separan los enlaces glicosídicos en la fibra de celulosa mediante “pinchazos” en su superficie cristalina, oxidándola para liberar celooligosacáridos oxidados de varios tamaños. Mediante esta acción, se incrementa la accesibilidad para la intervención de las otras proteínas componentes de las celulasas 58,59. La actividad de las LPMO requiere un co-sustrato de oxígeno, que originalmente se pensaba que era el O2, pero que también puede ser el H2O2. Las mezclas de reacción típicas promueven reacciones secundarias por lo que todavía no se conoce bien la cinética de la reacción de la LPMO (54,60. Las fracciones aromáticas de lignina, el ácido ascórbico, el glutatión reducido, el ácido ferúlico, la cisteína, y el galato son conocidos por ser agentes reductores (fuentes de electrones) de baja masa molar 61. Las reacciones de hidrólisis mediadas por LPMOs se llevan a cabo en condiciones aeróbicas estrictas y, por lo tanto, los reactores de hidrólisis deben ser diseñados con un espacio de cabeza suficiente para facilitar la transferencia de masa de oxígeno durante estas reacciones 60. La Figura 5 presenta el mecanismo de acción de las LPMOs en sinergia con otros componentes del complejo de celulasas.
Fuente:64
Figura 5 Mecanismo de acción de las LPMO y su sinergia con otro componente celulasa para la hidrólisis de la celulosa
Hoy además sabemos que las enzimas celulasas están acompañadas de hemicelulasas y enzimas degradantes de lignina 62. En el caso de las hemicelulasas, o xilanasas se agrupan de acuerdo con sus propiedades catalíticas, ya sean glucosilhidrolasas (GHs) que hidrolizan enlaces glucosídicos, o estearasas de carbohidratos (CEs) que hidrolizan enlaces éster 62. En el caso de la lignina, se utilizan las lacasas y las ligninas peroxidasas como enzimas auxiliares. En conjunto, estas enzimas degradan tanto la hemicelulosa como la lignina para aumentar la accesibilidad de las celulasas a la celulosa63.
Preparaciones celulolíticas comerciales
La dosificación y formulación de un complejo enzimático adecuado para los diferentes tipos de materias primas lignocelulósicas pretratadas es un desafío abordado por varias empresas productoras de enzimas y centros de investigación a nivel mundial. De esta forma, estas empresas han lanzado varios “cócteles” enzimáticos comerciales para uso industrial cuya composición específica es generalmente desconocida 65,66. Algunos ejemplos de preparados comerciales celulolíticos y sus características técnicas reportadas por las mismas empresas productoras se observan en la Tabla 9. El rango de temperaturas de la reacción de hidrólisis enzimática varía de 25-70°C.
Por otro lado, con el objetivo de estandarizar la medida de la eficiencia de hidrólisis de los diferentes cócteles enzimáticos comerciales en diferentes sustratos es que se aplica un índice porcentual para expresar la relación entre los azúcares reductores producidos y la cantidad de celulosa contenida en la biomasa pretratada. Este índice es llamado porcentaje de sacarificación 71, el cual se obtiene mediante la Ecuación 1.
(1)La velocidad de hidrólisis del material lignocelulósico refleja la afinidad de los sitios activos de la enzima frente a un sustrato. Un índice de sacarificación alto (entre 70-80% en preparados de Cellic Cetec 2 y Acellerase con biomasas pretratadas) significa una alta asociación de los sitios activos a la celulosa 66-70. En general, se puede mencionar que la acción sinérgica de actividades enzimáticas se refleja en una mejor velocidad de hidrólisis 71.
RESULTADOS
INGENIERÍA DE PROCESOS Y SISTEMAS APLICADOS A LAS BIORREFINERÍAS
El concepto de biorrefinería surge desde una perspectiva de aprovechamiento integral de la biomasa lignocelulósica empleando todos sus componentes para obtener un conjunto de productos químicos y combustibles producidos en sistemas (procesos) holísticos y complejos 2,21,29. Esta visión sistémica del proceso integral permitiría la viabilización de las vías biológicas de transformación de la biomasa en escala comercial. Inicialmente, las etapas conceptuales de estimaciones técnico-económicas para el desarrollo de biotecnologías de aprovechamiento suelen tener indicadores favorables ya que es posible encontrar una gran disponibilidad de recursos de biomasa y residuos agrícolas y, además varias naciones promueven incentivos económicos a este tipo de industria emergente 72. Sin embargo, para el diseño sostenible de plataformas de biorrefinerías se requieren considerar aspectos como la madurez tecnológica del proceso, la rentabilidad, el desarrollo social e el impacto ambiental que nos permitan analizar el desempeño global del proceso desde diferentes perspectivas (2, 72). Así, el diseño de una biorrefinería sostenible debe ser evaluado en términos de criterios que no son fácilmente cuantificables, por lo que proponer indicadores (o métricas) para medir la sostenibilidad de un sistema debe seguir una metodología cuidadosa 72,73.
Todas estas consideraciones dan pase al abordaje de Ingeniería Procesos y Sistemas (PSE), que abarca desde el modelado y el diseño del proceso (bio) químico hasta el análisis a nivel empresarial de la logística y de las cadenas de valor de los productos potenciales 2. En este contexto, una de las herramientas metodológicas es la jerárquica de Toma de Decisiones Multicriterio (MCDM de sus siglas en inglés), la cual permite considerar aspectos como la viabilidad operacional, económica, ambiental y social de manera escalonada y ponderada 73,74.
Primero, la MCDM permite la identificación de plataformas tecnológicas de biorrefinería más prometedoras utilizando un conjunto de indicadores (criterios) que se observan en la Tabla 10 2. La selección de rutas tecnológicas por parte de un panel multidisciplinario considerará todos estos indicadores con diferentes ponderaciones, las cuales variarán en función de los intereses económicos-productivos, las normas vigentes y las condiciones del mercado. De este modo, se asegura que el criterio que tiene mayor importancia obtenga un rol más notorio en la toma de decisión final. A partir de los valores y pesos se logra obtener un puntaje de viabilidad técnico-económica y de sostenibilidad para cada alternativa considerada en diferentes escenarios. Cabe destacar que las metodologías desarrolladas y utilizadas en el marco de este enfoque sólo serán aplicables caso por caso 73.
Con todos estos puntos expuestos, es necesario recalcar que se necesita una comprensión minuciosa y detallada de cada proceso a ser evaluado con la metodología MCDM 73,75 y 74. La MCDM incluye tres análisis: mercado, económico y medioambiental. Los datos del mercado incluyen varias heurísticas que servirán para determinar las necesidades de los consumidores, la presencia de mercados especializados o de productos básicos, y la capacidad de las biorrefinerías para satisfacer estas necesidades 74. En relación con la conceptualización del proceso se ha propuesto algoritmos de generación que permiten incluir rutas de síntesis para la creación de superestructuras de procesos 73. A continuación, las rutas se pueden restringir utilizando diversas heurísticas y se seleccionan las mejores opciones. Hay que tener en cuenta que el producto químico de la plataforma a ser evaluada debe ser un producto básico para soportar la capacidad de producción del proceso. En la segunda etapa, se repite el proceso, utilizando los productos de plataforma como materia prima y generando matemáticamente una familia derivada de productos. Una vez más, se utiliza la heurística, pero esta vez se elimina la condición de producto básico. El resultado se evalúa mediante análisis técnico-económico o por simulaciones Monte Carlo como reportado en Sammons et al. 76. Las combinaciones resultantes se introducen en el MCDM como opciones potenciales. Un ejemplo de la complexidad de la metodología es ilustrada en la Figura 6.
Además, la comparación de alternativas debe incluir criterios de sostenibilidad con herramientas como el análisis de ciclo de vida.
Pues, las biorrefinerías como toda industria química presentan una serie de impactos directos e indirectos sobre el medio ambiente, requiriéndose una evaluación sistemática de los mismos 2,72.
Como se ha revisado en este trabajo, las plataformas de base biológica presentan muchas oportunidades de productos de alto valor agregado asociadas a desafíos multifactoriales, por lo que los análisis técnico-económicos representan estudios básicos y necesarios una vez que los fundamentos científicos en esta materia se han consolidado.
CONCLUSIONES
El presente trabajo brindó una revisión bibliográfica de temas que fundamentan la teoría para la aplicación del procesamiento integrado de la biomasa desde una perspectiva de biorrefinerías.
Los temas presentados son la composición de la biomasa lignocelulósica, las posibilidades de tecnologías de pretratamiento, ejemplos de subproductos cuyo valor comercial es interesante para la viabilidad económica de los proyectos, y biocatálisis con la introducción de los tipos cócteles enzimáticos, su acción catalítica en diferentes sustratos y su oferta comercial.
Además, con la finalidad de integrar y procesar toda esta información se presentaron los criterios usados en la Ingeniería de Procesos y Sistemas y en la metodología de Toma de Decisiones Multicriterio, cuya jerarquía puede ser direccionada a la comparación de oportunidades generadas por tecnologías prometedoras de base biológica desde un enfoque multidisciplinario.
