Estoy segura que alguna vez te preguntaste de dónde vienen las cosas que utilizas a diario — comida, aparatos electrónicos, autos, etc.— y estoy casi segura que también te preguntas cómo funcionan y cómo es que los construyen. Hoy en día la mayoría de las cosas que utilizamos en el día a día contienen productos derivados del petróleo que, como seguramente ya sabrás, además de ser un recurso no renovable, contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2) que, a su vez, contribuye al cambio climático, uno de los principales problemas ambientales que actualmente enfrentamos.

Una posible alternativa al empleo de petróleo y sus refinerías, son las biorrefinerías en las que, al igual que en una refinería tradicional, se lleva a cabo el fraccionamiento de la materia prima con el fin de obtener variados productos comerciales. Una biorrefinería consiste en una instalación donde diferentes equipos y procesos de conversión son integrados con el fin de obtener productos de valor agregado (bioproductos) a partir de materia prima renovable, a la cual se le llama biomasa.

La biomasa es cualquier materia orgánica renovable, algunos ejemplos de este tipo de materia son cultivos, árboles, residuos de agricultura alimentaria y ganadería, plantas acuáticas, residuos maderables, desperdicio de animales, entre otros. La biomasa se clasifica en biomasa de triacilglicéridos, de azúcar y almidón, y lignocelulósica, de acuerdo a la estructura química que la constituye. En este artículo nos centraremos en la materia prima lignocelulósica.

Representación de la composición polimérica de la lignocelulosa. Elaboración propia.

¿Lignocelu… qué?

La lignocelulosa es el material más abundante en nuestro planeta, ya que lo podemos encontrar en cualquier parte de las plantas, desde pastos, tallos, hojas, semillas, madera, etc. Se estima que la lignocelulosa representa cerca de la mitad de la materia producida por la fotosíntesis. La macromolécula de lignocelulosa está constituida por tres polímeros, siendo un polímero un conjunto de moléculas del mismo tipo unidas por enlaces químicos. Imagina una torre de legos roja, una verde y una azul, las cuales están unidas entre sí, ahora imagina que cada lego es una molécula que está unida a otra por medio de un enlace químico (un lego negro) formando la torre, o sea el polímero. Pues, algo semejante es la estructura de la biomasa lignocelulósica, la cual está compuesta en su mayoría, como ya te mencioné, por tres polímeros, los cuales estarían representados por cada torre de legos: lignina, hemicelulosa y celulosa.

La lignina es un polímero de moléculas denominadas fenoles por lo que se le puede llamar polifenol; el polímero hemicelulosa está compuesto por carbohidratos de cinco y seis carbonos como la xilosa, arabinosa, manosa, glucosa y galactosa; y finalmente, la celulosa está formado por moléculas de glucosa. La celulosa y hemicelulosa, al estar compuestos por carbohidratos, se les conoce como polisacáridos. Estos tres polímeros se encuentran unidos por distintos enlaces químicos para formar la materia lignocelulósica (lignina-hemicelulosa-celulosa).

Todas las moléculas presentes en la lignocelulosa pueden ser aprovechadas para que, de manera sustentable, se puedan obtener productos de valor agregado, los cuales se pueden conseguir a partir de diferentes procesos.

Procesamiento de biomasa lignocelulósica

Los pretratamientos se pueden clasificar en tres grupos: termoquímicos, fisicoquímicos y biológicos o enzimáticos. Para que los productos obtenidos de la biorrefinería de biomasa lignocelulósica sean rentables, los pretratamientos deben tener requerimientos bajos, tanto de energía como de compuestos químicos. Posterior al fraccionamiento de los tres componentes, se lleva a cabo la hidrólisis o rompimiento de los polímeros, con el fin de obtener compuestos químicos simples que puedan ser empleados para su conversión en energía, biocombustibles, biomateriales o sustancias químicas.

Energía, biocombustibles, biomateriales y sustancias químicas

Con el fin de obtener energía se emplea la gasificación, en ella, la biomasa reacciona con oxígeno, aire, vapor de agua y/o de oxígeno e hidrógeno que originan productos gaseosos como gas gasógeno y gas con alto contenido de metano, los cuales puede emplearse como gas natural y gas de síntesis, que puede ser utilizado a su vez para generar electricidad; además, se obtienen metanol, etanol, ácido acético, amoníaco y gasolinas.

 Procesamiento de biomasa lignocelulósica y productos obtenidos. Elaboración propia.

Para la obtención de biocombustibles se emplea la pirólisis rápida, de la cual se obtiene el aceite de pirólisis o bioaceite, que posterior a un tratamiento químico puede obtenerse biocombustible; además del bioaceite, en este proceso se genera un gas compuesto por hidrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos que puede emplearse para la generación de calor. Otro aceite que se puede obtener a partir de biomasa lignocelulósica es el denominado aceite de licuefacción, que puede ser empleado para generar aditivos, combustible y resinas, el cual igualmente puede ser empleado como agente tensoactivo o espumante.

A partir de la fermentación de azúcares de celulosa y hemicelulosa, se pueden obtener moléculas de interés comercial como etanol celulósico, ácido succínico, 2,5 ácido furano dicarboxílico, ácido 3-hidroxipropiónico, ácido aspártico, ácido glucárico, ácido glutámico, ácido itacónico, ácido levulínico, ácido cítrico, ácido láctico, ácido propiónico y ácido succínico.

Para que se pueda obtener una cantidad alta de bioproductos en una fermentación, es necesario emplear microorganismos capaces de consumir todos los azúcares lignocelulósicos con el fin de obtener un buen rendimiento en la fermentación. Uno de los microorganismos empleados más comúnmente es Saccharomyces cerevisiae genéticamente modificado.

La obtención de bioproductos a partir de lignina por medio de la fermentación es más complicada debido a la naturaleza química de este polímero, pero se pueden obtener biopolímeros como los polihidroxialcanoatos que pueden ser empleados para el envasado de alimentos, películas de embalaje y embotellado de material médico; también se pueden obtener lípidos de interés comercial empleando microorganismos.

Además de la fermentación, existen rutas químicas para obtener productos de valor agregado, como son la deshidratación de azúcares de cinco carbonos obtenidos de la hemicelulosa, de las cuales se obtienen compuestos como furfural, 5-hidroximetilfurfural y ácido levulínico, ambos compuestos tienen un enorme potencial para obtener productos químicos como polímeros, alcanos líquidos y aditivos para combustibles. Otro de los compuestos químicos que se pueden obtener es la vainilla, que puede ser empleada tanto como saborizante como compuesto intermediario en la producción de polímeros como polímero epoxi y poliéster.

Una opción sustentable

La obtención de energía, biocombustibles, biomateriales y compuestos químicos a partir de materia prima lignocelulósica es una opción sustentable ya que emplea desechos. Sin embargo, el procesamiento de este tipo de biomasa es uno de los puntos clave para que sea rentable, ya que se requieren condiciones de altas temperaturas, sustancias químicas y condiciones específicas para poder ser procesada, lo que se traduce como energía y, por lo tanto, inversión para poder obtener productos de interés comercial. El uso integral de este tipo de biomasa es el enfoque que se necesita en este tipo de biorrefinerías, dado que además de poder obtener productos comerciales, se genera la propia energía para obtenerlos, por lo que la investigación y el apoyo financiero a este tipo de procesos es de suma importancia para que en un futuro no muy lejano los combustibles, energía y productos químicos que ocupamos en nuestro día a día, puedan generarse a partir de este tipo de biomasa.

 

 

Para Saber Más:

Area M., Vallejos M., Bengoechea D., Felissia F., Dagnino E. y Stoffel R. (2012). Biorrefinería a partir de residuos lignocelulósicos. Conversión de residuos a productos de alto valor, Saarbrücken (Alemania), Académica Española. https://www.researchgate.net/publication/262933028_Biorrefineria_a_partir_de_residuos_lignocelulosicos_Conversion_de_residuos_a_productos_de_alto_valor

Peña Murillo S. y López Galán J. (2020). «Desarrollo sostenible y oportunidad de aprendizaje de las biorrefinerías: Una alternativa de la biomasa». Revista de Ciencias Sociales, 26: 401-413. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=7599953

Rajesh Banu J., Preethi Kavitha S., Kumar Tyagi V., Gunasekaran M., Parthiba Karthikeyan O. y Kumar G. (2021). «Lignocellulosic biomass based biorefinery: A successful platform towards circular bioeconomy». Fuel, 302. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121086

 

Dulce Libna Ambriz Pérez. Profesora e Investigadora en el Programa de Maestría en Ciencias Aplicadas e Ingeniería en Energía, Universidad Politécnica de Sinaloa (UPSIN).

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Victoria Gracia Escobedo Valdez. Pasante de Licenciatura en Biotecnología, egresada de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP).

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