Las biorrefinerías han surgido como una plataforma innovadora que permite obtener un mayor rendimiento en los procesos de producción de biogás y biometano, dando lugar a otros productos de valor añadido, tales como biocombustibles, biodiésel y bioetanol, y productos bioquímicos, como los ácidos orgánicos, los alcoholes y los biopolímeros.
Estas biorrefinerías utilizan el metano y el dióxido de carbono como materia prima, dando la oportunidad de desarrollar bioprocesos sostenibles que reducen la emisión de estos gases de efecto invernadero (GEI).
Los productos de valor añadido obtenidos de estos bioprocesos, a su vez, pueden reemplazar a productos equivalentes hechos a partir de recursos fósiles. Lo que implica un mejor aprovechamiento de los recursos que favorece el desarrollo de la bioeconomía circular y la reducción de las emisiones netas de carbono.
En estos bioprocesos intervienen microorganismos capaces de utilizar el metano y el dióxido de carbono, los metanotrofos. Dependiendo de sus capacidades metabólicas y de las estrategias de ingeniería empleada, estos metanotrofos darán lugar a productos de valor añadido específicos.
La ventaja de estos metanotrofos es que, en su mayoría, son capaces de trabajar a presión y temperatura ambiente, lo que implica menores requerimientos energéticos que los tratamientos físico-químicos.
El reto actual de esta tecnología es profundizar más en el conocimiento de los procesos microbiológicos que tienen lugar para desarrollar sistemas más eficientes.
Estrategias de ingeniería para mejorar la eficiencia de los bioprocesos
La ingeniería genética y la ingeniería de vías metabólicas son las estrategias clave para mejorar la eficiencia de la conversión del metano y dióxido de carbono a productos de valor añadido.
A través de la ingeniería genética, los metanotrofos pueden ser modificados para optimizar la utilización del metano, aumentar la tolerancia a productos y redirigir el flujo de carbono. Esto puede implicar técnicas como la sobreexpresión de enzimas nativas, la eliminación de vías competidoras o la introducción de genes no nativos.
Por ejemplo, un metanotrofo llamado Methylomicrobium alcaliphilum 20Z fue genéticamente modificado para sobreexpresar la enzima metanol deshidrogenasa. Esto permitió aumentar la producción de formaldehído a partir de metano en un 37%.
En otro estudio, la eliminación de genes de vías competidoras en el metanotrofo Methylomicrobium buryatense 5GB1C aumentó la producción de lactato a partir de metano 2,3 veces más.
Por su parte, la ingeniería de vías metabólicas centra su papel en desviar más precursores metabólicos para fabricar el producto deseado.
Combinar diferentes estrategias, como eliminar la síntesis de subproductos y sobreexpresar una enzima clave, puede impulsar aún más el flujo de carbono hacia el producto de interés.
El desarrollo de estas estrategias de ingeniería es fundamental para el desarrollo de biorrefinerías de biogás que emplean metanotrofos. La optimización de sus bioprocesos los convierte en eficientes fábricas celulares para la bioconversión del metano y del dióxido de carbono.
Principales productos de valor añadido que pueden obtenerse de las biorrefinerías
Algunos de los productos de valor añadido más estudiados de la bioconversión del metano son:
- Los biopolímeros o polihidroxialcanoatos (PHAs): una alternativa más sostenible a los análogos petroquímicos convencionales (polietileno, polipropileno).
- La ectoína, aminoácido cíclico que estabiliza eficazmente a enzimas, ácidos nucleicos y complejos ADN-proteína. Se trata de un producto de alto valor para la industria farmacéutica, siendo la cosmética su principal área de aplicación.
- Los compuestos antibacterianos producidos por algunos cultivos metanotróficos (como Methylocystis minimus y Methylobacter luteus), con un alto potencial para luchar frente a la resistencia a los antibióticos.
- La Proteína unicelular microbiana (Single Cell protein, SCP), que cuenta con una excelente aceptación en el mercado de la acuicultura, maricultura y la alimentación animal.
En cuanto a los procedentes de la bioconversión del dióxido de carbono tenemos:
- La producción de biocombustibles: biodiesel y bioetanol, como sustitutos del diésel y la gasolina, respectivamente.
- Alcoholes: metanol, etanol, propanol y butanol. Estos tienen diversas aplicaciones industriales y como biocombustible.
- Ácidos orgánicos: como el ácido acético, láctico y propiónico que tienen aplicaciones en las industrias alimentaria, química y farmacéutica.
Para lograr una producción a gran escala de estos productos con valor añadido es necesario abordar algunos desafíos de los sistemas de producción, tales como las limitaciones en la transferencia de masa entre gases y líquidos y la baja solubilidad de los gases.
Las perspectivas futuras incluyen el desarrollo de sistemas eficientes de biorreactores y la aplicación de la biología sintética a los procesos de bioconversión.
El proyecto CHEERS, un nuevo concepto de biorrefinería
CHEERS es un proyecto europeo que plantea un nuevo concepto de biorrefinería. Su objetivo es revalorizar las corrientes secundarias infrautilizadas o de desechos de la industria cervecera (bagazo, aguas residuales, dióxido de carbono y metano) para su bioconversión en productos innovadores competitivos a nivel de mercado.
La bioconversión y el uso en cascada de estas corrientes secundarias o de desechos pretende ser un punto de partida para que otras industrias fermentativas puedan mejorar la eficiencia en el uso de materias primas, la sostenibilidad y su competitividad general.
Para ello, el proyecto está desarrollando una planta piloto que consta de dos plataformas, una microbiana y otra de insectos, donde tendrán lugar las cinco cadenas de valor siguientes:
- Conversión de levadura y bagazo de cerveza a proteína en base a insectos como ingrediente de bebidas proteicas.
- Conversión de dióxido de carbono a ácido caproico como ingrediente alimentario para animales.
- Conversión de dióxido de carbono a desinfectante a base de cloro.
- Conversión de metano a ectoína como ingrediente en productos de la industria cosmética.
- Conversión de metano a proteína unicelular microbiana (SCP) como ingrediente de piensos para mascotas.
Estas cadenas de valor se basan en nuevos bioprocesos y/o innovadores biofermentadores combinados con procesos sostenibles de transformación, que se validarán a escala de demostración en una cervecera industrial.
Se estima que, en cada cadena de valor, se alcanzará una reducción mínima del 45% de la huella de carbono.
El proyecto, que comenzó en septiembre de 2022, tiene prevista una duración de cuatro años y cuenta con la colaboración de un total de 11 socios de 5 países europeos, entre ellos Genia Bioenergy, bajo la coordinación de la cervecera española Mahou San Miguel.
El proyecto CHEERS contribuirá al desarrollo de un nuevo enfoque de biorrefinería zero waste, alineado con el Pacto Verde Europeo, el Plan de Acción de Economía Circular y la Estrategia de Bioeconomía, que fomenta el potencial de la biotecnología y la biología sintética como herramientas para reducir el impacto de las actividades humanas sobre nuestro planeta.
Gracias al desarrollo de nuevas plataformas de producción de base biológica es posible avanzar hacia un uso más eficiente de los recursos con el fin de alcanzar la circularidad industrial.
