REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Septiembre•Diciembre
de 2012
Editorial
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La iguana de cola espinosa: saurio de los tejados tropicales
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Si piso me hundo: los humedales
Apuesta biotecnológica: etanol de segunda generación
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y biolubricantes
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Los libros curiosos de la ciencia
Contenido
 

Apuesta biotecnológica: etanol de segunda generación

Christian Arturo Hernández Hernández

 

El problema

El calentamiento global producido por las actividades humanas es un problema que puede llegar a tener enormes consecuencias para la biosfera, es decir, para todos los organismos que habitan este planeta. Este incremento de la temperatura planetaria es causado principalmente por el aumento en la concentración de gases de efecto invernadero, entre los que se encuentran principalmente el dióxido de carbono, el metano y los óxidos nitrosos.

En su mayor parte, tales gases se producen por la quema de combustibles fósiles, como el petróleo, el gas natural y el carbón mineral, y también se generan por la destrucción de bosques y selvas que actúan como sumideros de dióxido de carbono. En el primer caso, el petróleo, el gas natural y el carbón mineral se utilizan para satisfacer nuestra elevada demanda de energía, esa que utilizamos para mover nuestros autos, aviones y barcos, en la industria y en la generación de electricidad; así, prácticamente todo lo que usamos (plásticos, computadoras, ropa, etc.) tiene la huella del carbono y ha contaminado o está contaminando la atmósfera con gases de efecto invernadero.

En efecto, la sociedad se mueve con la energía del carbono prehistórico utilizando tecnologías que hoy comienzan a parecer obsoletas. ¿Por qué obsoletas? Porque aunque satisfacen las necesidades humanas, hacen que el carbono alcance niveles críticos de concentración, lo que contamina y calienta la atmósfera de una manera inaceptable.

Irónicamente, el carbono que los humanos estamos quemando y lanzando a la atmósfera es carbón que la tierra tardó unos 300 millones de años en sepultar (Periodo Carbonífero). Cuando se hallaba a cientos de metros bajo tierra no significaba ningún problema para la vida actual, pero al extraerlo y quemarlo estamos reproduciendo condiciones prehistóricas que suponen una amenaza para los ecosistemas y para la vida humana moderna, pues muchos de los organismos que han evolucionado a lo largo de millones de años hasta sus formas actuales no podrán adaptarse a estos bruscos cambios ambientales y acabarán por extinguirse, con lo que los ecosistemas se alterarán y el equilibrio planetario se verá afectado aún más, repercutiendo drásticamente en nuestras vidas.

No solo existe carbono almacenado en forma de petróleo y enterrado en la tierra. El conjunto de seres vivos, o biomasa, está constituido principalmente de carbono; es decir, la biomasa es otro reservorio de este elemento porque lo atrapa y evita que se vaya a la atmósfera. Como se dijo anteriormente, la deforestación de bosques y selvas contribuye enormemente al calentamiento global debido a que todo el carbono almacenado en los troncos, hojas y raíces de las plantas de un bosque se va a la atmósfera cuando se destruye o se quema para abrir nuevos campos de cultivo, pastizales o zonas urbanas.

A manera de ejemplo, el bosque de pino y encino de la reserva El Cielo, en el estado de Tamaulipas, almacena aproximadamente 110 toneladas por hectárea de carbono en su biomasa; de perderse, estas toneladas se irían a la atmósfera a acentuar el calentamiento planetario. México perdió 401 mil hectáreas de bosques por año entre 1993 y 2002, lo que supone una pérdida de biomasa, más emisiones de carbono y grave alteración de funciones ecológicas, tales como el mantenimiento de la fertilidad de los suelos, la captura e infiltración de agua y la regulación microclimática.

Otros importantes reservorios de carbono son los arrecifes de coral y el plancton oceánico. De hecho, nuestro país cuenta con tres importantes zonas de arrecifes: la zona del Pacífico, incluidas las islas Marías y de Revillagigedo; la costa de Veracruz y Campeche en el Golfo de México y la costa este de la península de Yucatán, en el mar Caribe. Preservar estas zonas es de suma importancia no solo por el riesgo de calentamiento global, sino porque son áreas de gran biodiversidad marina e incomparable belleza que además brindan servicios ecosistémicos, como la pesca y la protección de las costas ante los huracanes.

Frente a este problema, y ante las inminentes consecuencias del calentamiento global que han comenzado a ocurrir a escala planetaria (poderosos huracanes, sequías severas y ondas de calor), los gobiernos de varios países se reunieron y pactaron mediante el Protocolo de Kioto de 1997 –con excepción de Estados Unidos– reducir las emisiones de carbono a la atmósfera para hacer que la Tierra regrese al estado en que estaba antes de la Revolución Industrial. Esta meta representó entonces un gran reto y lo sigue representando, porque ¿cómo transformar toda una economía basada en combustibles fósiles a una economía con emisiones neutras de carbono?

Las ideas

Para resolver este problema humano y ecológico han surgido, desde hace varias décadas, diversas ideas para generar energía no contaminante, utilizando, por ejemplo, la energía solar, la eólica y la geotérmica. Sin embargo, es el uso de la biomasa como energético el que más atención ha recibido debido a los buenos resultados obtenidos, ya que es un recurso renovable de rápida producción. La mayoría de la biomasa en el planeta deriva de la actividad de organismos fotosintéticos, es decir, que utilizan la energía solar para “crear” materia viva basada en compuestos de carbono; es por eso que la biomasa posee una elevada cantidad de energía, lo que implica que su uso también sea sustentable, porque estamos utilizando carbón que ya se encontraba en la atmósfera y no carbón fósil subterráneo.

El ser humano ha utilizado la biomasa como energético desde hace milenios, principalmente en forma de leña y carbón vegetal; sin embargo, cuando los combustibles fósiles aparecieron, la biomasa, como energético, se fue marginando a las zonas pobres o de difícil acceso, donde la gasolina, el gas LP y el carbón mineral no podían llegar.

Los científicos y tecnólogos, cuya importante misión es innovar e impulsar el desarrollo de la sociedad, han concebido diversos métodos que producen energéticos mediante la transformación de la biomasa, con lo que han aparecido el biogás, el bioetanol y el biodiesel, siendo los dos últimos considerados como la mejor opción para sustituir a los combustibles fósiles en el mediano plazo. Enseguida hablaremos del bioetanol como combustible, su situación actual y las perspectivas de desarrollo.

El bioetanol de primera generación

El bioetanol o alcohol de caña, como se le conoce en México, se produce mediante la fermentación de azúcares simples por la acción de microorganismos, principalmente levaduras (como la levadura de cerveza); un litro de bioetanol contiene aproximadamente 66% de la energía contenida en un litro de petróleo y puede usarse directamente en motores o ser mezclado con gasolina, lo que mejora el desempeño de esta última.

El bioetanol de primera generación se produce a partir del jugo de caña de azúcar, maíz, remolacha azucarera u otros granos ricos en almidón, como el sorgo y el trigo. Anteriormente se utilizaba sobre todo como desinfectante, pero al buscar nuevos combustibles se sugirió su uso en los motores de combustión interna.

Usar cultivos de maíz y trigo –que son base de la alimentación humana– para generar bioetanol despertó una fuerte controversia mundial, ya que se podría poner en riesgo la seguridad alimentaria de mucha gente; de hecho, aumentó el precio de los granos básicos. Cuando Estados Unidos comenzó a utilizar maíz para producir bioetanol, en México subió fuertemente el precio de la tortilla debido a que nuestro país importa un gran tonelaje de maíz para satisfacer sus necesidades alimentarias, lo que puede repetirse en diversas partes del mundo. Esto provocó que el bioetanol y el biodiesel, producidos a partir de cultivos ricos en aceites, recibieran fuertes críticas sobre su viabilidad, pues si bien ofrecían la posibilidad de disminuir nuestra dependencia del carbono fósil, y con ello la contaminación ambiental, también podrían agravar el hambre mundial. Por otro lado, la necesidad de cultivar especies bioenergéticas, como la caña de azúcar, el maíz o el sorgo, trajo consigo otro problema: la ampliación de los espacios agrícolas en detrimento de las áreas naturales.

Un ejemplo de esto es lo que ocurre actualmente en Brasil, que en 2007 producía 13.25 millones de toneladas de bioetanol, colocándose como el primer productor mundial de este bioenergético y cubriendo poco más de 40% de la demanda de energéticos basados en la gasolina; si bien esto se considera un éxito de mercado, ya que mediante las políticas adecuadas el bioetanol ha logrado competir con la gasolina y ha generado toda una industria millonaria en ese país, también ha afectado fuertemente al ambiente; en efecto, para obtener semejante cantidad de bioetanol ha sido necesario abrir nuevos campos de cultivo de caña de azúcar en detrimento de la selva amazónica. Recordemos lo que se dijo antes: la destrucción de bosques y selvas contribuye al calentamiento global. Además, la selva amazónica es considerada una de las áreas de mayor biodiversidad del mundo, lo cual nos lleva a pensar si realmente es benéfica la producción de bioetanol cuando en el proceso se destruye aquella.

Mi opinión es que no, y es la misma que la de muchos científicos. En conclusión, tomando en cuenta que utilizar comida para alimentar motores no es sustentable, y que destruir bosques y selvas para sembrar cultivos para generar bioenergía tampoco lo es, ha surgido la idea de instrumentar nuevas tecnologías para generar biocombustibles, porque el calentamiento global sigue avanzando y se necesita una solución.

El bioetanol de segunda generación

La búsqueda de nuevas fuentes de azúcar para la producción de bioetanol que no comprometieran la seguridad alimentaria ni contribuyeran a la destrucción de espacios naturales llevó a un análisis químico de la biomasa para aterrizar en lo obvio: la biomasa vegetal está compuesta de azúcar, sí, de azúcar fermentable. Las hojas, los troncos y las ramas, cada célula vegetal posee una pared que la protege y le brinda rigidez; esa capa está compuesta principalmente por celulosa, un carbohidrato estructural hecho de glucosa, que potencialmente es capaz de ser transformada en bioetanol mediante fermentación convencional, al igual que el jugo de caña de azúcar y las melazas.

Conseguir la transformación de la celulosa –considerada como el carbohidrato más abundante del planeta– en bioetanol, permitiría aprovechar materiales como pajas, rastrojos, aserrín, bagazos, cáscaras de fruta, pulpa de café y demás desechos de la industria agroalimentaria para generar combustible sin comprometer la seguridad alimentaria y sin la necesidad de abrir nuevos campos de cultivo; de hecho, resolvería el problema de la contaminación ambiental que estos residuos generan, disminuiría los costos de producción de alimentos al dar valor agregado a los desechos, y abriría nuevas fuentes de empleo rural e industrial en beneficio de la sociedad. Por lo tanto, diversas investigaciones se hicieron para obtener alcohol a partir de celulosa vegetal, siendo el resultado el llamado bioetanol de segunda generación.

Una vez comprobada la factibilidad técnica de esta nueva idea, surgió un nuevo problema: ¿cuánto cuesta producir bioetanol de segunda generación? La respuesta: mucho dinero. Para producir este bioetanol es necesario, antes que todo, desbaratar la celulosa estructural para convertirla en glucosa, para lo cual se probaron diversos métodos, como sumergir la celulosa en una solución con ácido –generalmente ácido sulfúrico o ácido clorhídrico– para después recuperar la glucosa y fermentarla como bioetanol (hidrólisis ácida). Este método eleva los costos de producción de bioetanol muy por encima de los del bioetanol de primera generación y lo hace poco competitivo ante la gasolina; otro método, la llamada termohidrólisis, rompe la celulosa mediante calor y presión, para lo cual es necesario gastar una gran cantidad de energía en el proceso, lo que disminuye su eficacia. Nuevamente, el bioetanol parece inviable.

La apuesta biotecnológica del etanol de segunda generación

La biotecnología, según su definición clásica, busca utilizar organismos vivos o sus partes para generar un producto, un servicio o resolver un problema. En el caso del bioetanol, los biotecnólogos buscaron degradar la celulosa vegetal de manera similar a como ocurre en la naturaleza, esto es, mediante enzimas. Cuando una hoja, un tronco o cualquier material vegetal cae al suelo, se pudre por la acción, sobre todo, de hongos y bacterias; dichos organismos segregan proteínas especializadas (enzimas) que actúan como máquinas que desbaratan la celulosa vegetal hasta convertirla en azúcar de la que viven los hongos y bacterias, y para obtenerla no necesitan más que un poco de agua y una temperatura agradable.

Entonces, se concentraron esfuerzos en comprobar si era posible imitar este proceso en un biorreactor añadiendo enzimas a la celulosa para obtener azúcar, comprobándose que sí era posible; sin embargo, esta idea enfrenta al mismo problema que la hidrólisis ácida: el costo del proceso.

Las enzimas comerciales son producidas por grandes empresas biotecnológicas, como Novozymes®, que desarrollan y producen enzimas en grandes cantidades y las venden para ser utilizadas en diversas industrias, como la alimentaria, la textil y últimamente la de biocombustibles, pero su elevado costo hace imposible usarlas para producir bioetanol de segunda generación.

Pero las nuevas ideas nunca se les acaban a los científicos. Si no podemos utilizar la enzima directamente, ¿podremos hacer uso entonces de un organismo que tome la celulosa y la transforme en bioetanol?

Se dice que la naturaleza es sabia y parece tener soluciones para todo tipo de problemas. En el suelo existen millones de especies microscópicas que no han sido estudiadas o descritas, pero cuyo funcionamiento se conoce. Muchas de ellas –hongos principalmente– tienen poderosos paquetes enzimáticos capaces de degradar celulosa, hemicelulosa, lignina y transformarlos en azúcar, de modo que este tipo de organismos son ahora objeto de estudio. Si se logra domesticar una bacteria, un hongo o una levadura que puedan degradar la celulosa hasta convertirla en bioetanol, habremos encontrado una especie que abarataría enormemente la producción de bioetanol de segunda generación, haciéndolo al fin viable.

Existen otros lugares para buscar esos organismos degradadores; por ejemplo, se ha comprobado que las termitas dependen de ciertas bacterias que habitan en su tracto digestivo para poder degradar la madera de la que se alimentan. Ambos organismos viven en estrecha simbiosis: las termitas proporcionan a las bacterias un hogar, y las bacterias degradan la madera en azúcar para que las termitas se alimenten. Ninguno podría vivir sin el otro. Los rumiantes son otro ejemplo; las vacas no degradan el pasto por ellas mismas, sino que poseen toda una comunidad bacteriana que degrada, siempre mediante enzimas, los pastos que comen hasta volverlos azúcar. Los científicos se encuentran actualmente estudiando estos procesos para implementarlos artificialmente y con esto producir bioetanol de segunda generación de manera viable, tanto técnica como económicamente hablando.

Por último, no hay que olvidar mencionar que podrían “crearse” organismos genéticamente modificados que posean las características deseadas de degradación, crecimiento y producción de bioetanol. Hoy por hoy, la biología molecular nos permite pensar en superorganismos que tengan los mejores genes de los hongos, pero que puedan crecer tan rápido como las bacterias y producir bioetanol de manera tan efectiva como lo hace la levadura de cerveza, o incluso mejor. No cabe duda que enfrentamos tiempos de grandes retos intelectuales, ambientales y sociales. El bioetanol promete ser una alternativa, más no una panacea, que contribuirá a resolver los grandes problemas ecológicos y sociales que encara no solo nuestro país, sino el mundo entero. Ya no podemos seguir dependiendo de energías fósiles para sostener nuestra civilización. La Tierra se está calentando aceleradamente y cada tonelada de petróleo quemado estará en la atmósfera durante mucho, mucho tiempo. Lo que se acumule depende de todos nosotros: gobierno, sociedad y científicos.

Para el lector interesado

  • Agencia Internacional de Energía (2004). Biofuels for transport: An international perspective. Disponible en línea: www.iea.org.es.
  • European Reneweable Energy Council (2011). Creating markets for renewable energy technologies. Disponible en línea: http://www.erec.org/fileadmin/ erec_docs/Projcet_Documents/ RESTMAC/Brochure5_Bioethanol_ low_r
  • Paredes, L. (2009). Biocombustibles. Ide@s CONCyTEG, 4(54), 1171-1175. Parlamento Europeo y Dirección General de Políticas Exteriores de la Unión (2007). Los biocarburantes en Brasil. Disponible en línea: http://www.europarl.europa.eu/ meetdocs/2004_2009/documents/ nt/692/692070/692070es.pdf
  • Rodríguez L., R., Jiménez P., J., Aguirre C., O., Treviño G., E. y Razo Z., R. (2009). Estimación de carbono almacenado de pino-encino de la reserva de la biosfera El Cielo, Tamaulipas, México. Ra Ximhai, 5(3), 317-327.
  • Secretaría del Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca (2011). Inventarios forestales y tasas de deforestación. Disponible en línea: http:// app1.semarnat.gob.mx/dgeia/ informe_04/02_vegetacion/ recuadros/c_rec3_02.htm