Bio-Butanol, una alternativa a la gasolina
Butanol (Fuente: Wikipedia)
El metanol es un alcohol con un sólo átomo de carbono, el etanol tiene dos carbonos, el propanol tres y el butanol cuatro. En este último, la molécula es más larga y es más parecida a los componentes de la gasolina. De hecho, funciona bastante bien en los motores de combustión sin necesidad de realizar grandes modificaciones. El principal problema que tiene es su alta viscosidad, unas diez veces mayor que la gasolina.
El etanol puede obtenerse utilizando microorganismos como las levaduras y por eso hay muchas esperanzas puestas en él como biocombustible. Pero el butanol también está en la carrera. Un grupo de la Universidad de California, Berkeley han conseguido modificar a la bacteria Escherichia coli para que produzca butanol de forma eficiente. Pero no sólo eso, el objetivo a largo plazo es que esa bacteria pueda usar como nutriente sustratos orgánicos provenientes del procesamiento de las plantas usadas para la alimentación. Es decir, que pueda usar la paja del trigo o los tallos del maíz y no sus granos.
Microfotografía electrónica de C. acetobutylicum (Fuente: Biomass)
El butanol es producido mediante fermentación por la bacteria Clostridium acetobutylicum, una bacteria Gram positiva endosporulada que crece en anaerobiosis. Pero C. acetobutylicum crece bastante lentamente y además en su proceso fermentativo se produce acetona e hidrógeno lo que hace un cóctel explosivo algo peligroso. Así que se ha intentado mejorar el proceso de varias formas.
Una manera ha sido tomar los genes de las cinco enzimas responsables de la ruta de producción de butanol en C. acetobutylicum y clonarlos en la levadura Saccharomyces cereviseae o en la bacteria Escherichia coli. Ambas son más fáciles de crecer que C. acetobutylicum, pero al hacerlo se encontró que no producían tanto butanol como se esperaba.
Al analizar el porqué lo que se encontró es que las enzimas clonadas volvían a convertir al butanol en sus precursores. Para entendernos, una ruta bioquímica es como una cadena de montaje. La enzima 1 coge un sustrato y lo modifica convirtiéndolo en el producto 1. El producto 1 es a su vez el sustrato de la enzima 2 que lo transforma en el producto 2, que a su vez es el sustrato de la enzima 3, etcétera. Pero si las reacciones son reversibles nos podemos encontrar con que la enzima 4 coge el producto 4 y lo vuelve a convertir en sustrato con lo que la ruta va hacia atrás y eso hace disminuir el rendimiento de butanol.
Así que lo que han hecho en Berkeley es rediseñar la ruta biosintética utilizando una cepa de Escherichia coli que tenía la ruta completa clonada. El rediseño ha consistido en sustituir dos de las cinco enzimas por enzimas análogas provenientes de otros dos microorganismos, pero que no vuelven a reaccionar con el butanol. Ahora la ruta funciona sólo en una dirección y el rendimiento de producción de butanol es óptimo.
Una manera ha sido tomar los genes de las cinco enzimas responsables de la ruta de producción de butanol en C. acetobutylicum y clonarlos en la levadura Saccharomyces cereviseae o en la bacteria Escherichia coli. Ambas son más fáciles de crecer que C. acetobutylicum, pero al hacerlo se encontró que no producían tanto butanol como se esperaba.
Al analizar el porqué lo que se encontró es que las enzimas clonadas volvían a convertir al butanol en sus precursores. Para entendernos, una ruta bioquímica es como una cadena de montaje. La enzima 1 coge un sustrato y lo modifica convirtiéndolo en el producto 1. El producto 1 es a su vez el sustrato de la enzima 2 que lo transforma en el producto 2, que a su vez es el sustrato de la enzima 3, etcétera. Pero si las reacciones son reversibles nos podemos encontrar con que la enzima 4 coge el producto 4 y lo vuelve a convertir en sustrato con lo que la ruta va hacia atrás y eso hace disminuir el rendimiento de butanol.
Así que lo que han hecho en Berkeley es rediseñar la ruta biosintética utilizando una cepa de Escherichia coli que tenía la ruta completa clonada. El rediseño ha consistido en sustituir dos de las cinco enzimas por enzimas análogas provenientes de otros dos microorganismos, pero que no vuelven a reaccionar con el butanol. Ahora la ruta funciona sólo en una dirección y el rendimiento de producción de butanol es óptimo.
Ruta quimérica para sintetizar butanol a partir de acetil-coA. La ruta superior en azul pertenece a la bacteriaRalstonia eutrophus y la utiliza para producir polihidroxialcanoatos. Debajo se muestra la ruta metabólica diseñada a partir de los genes de C. acetobutylicum en rojo y un gen de Streptomyces collinus en negro. (Fuente: Bond-Watts et al.)
Producción de butanol por distintas cepas de E. coli que portan diversas rutas metabólicas quiméricas. La cepa Nº 19 consigue un rendimiento de 4.650 ± 720 mg/litro y una tasa de conversión de la glucosa del 28% (Fuente:Bond-Watts et al.)
Este compuesto al ser utilizado como combustible (en forma de mezclas) es llamado “biobutanol esto con el fin de remarcar su origen vegetal, puesto que el butanol puede producir tambien a partir de combustibles fosiles, con las mismas propiedades quimicas.
Expertos de diferentes empresas del sector químico como BP y DuPont [1] destacan las ventajas del butanol como carburante con respecto al etanol:
• Alcanza el 95% de energía que el mismo volumen de gasolina, mientras que el etanol no pasa del 75%.
• Se puede mezclar con la gasolina convencional, sin tener que hacer adaptaciones en los automóviles, en una proporción mayor que el etanol.
• Tolera mejor la contaminación por agua, es menos corrosivo y tiene una menor presión de vapor que el etanol, por lo que se puede mezclar directamente con la gasolina en la refineria enviarlo por las mismas infraestructuras petroleras de transporte, algo que s sposible con el etanol.
• El proceso fermentativo ABE es completamente anaerobio, por lo tanto no es necesario mantener una oxigenación constante y uniforme en todo el mosto.
• No requiere sacarificacion del almidon debido a que el clostridium aceobutylicum posee y produce las enzimas anecesarias para la sacarificacion del almidon, con lo cual se ahora este proceso previo a prtir de combustibles fosiles, con las mismas propiedades quimicas.
Las proyecciones hechas por las multinacionales BP y DUPONT para el biobutanol al 2010 indican que este combustible va a ser más caro que los combustibles convencionales mientras entra en el mercado, se desarrollan la tecnología y se montan las plantas de producción masiva. Al respecto, se ha estimado un coste de producción de alrededor 2-3 Euros/Kg. Es clave analizar los costos de inversión para una planta Discontinua y una planta en Continuo. Si se compara ambas instalaciones, los costos directos son más representativos en el caso continuo debido al grado de equipamiento y especialización de los mismos y representa un 83% del total de inversión de capital. En el proceso Discontinuo este ítem representa tan solo el 60% de la inversión capital, siendo representativos los costos indirectos, (30% del total), en tanto que este tipo de costos para el proceso en continuo solo es un 7% del costo total de la inversión. La inversión de capital total es mucho mayor en el proceso continuo, pero a una mayor tasa de producción anual, lo cual, puede representar una tasa de retorno rápida en alrededor de 5 a 10 años.
