En la actualidad, el petróleo corresponde a la mayor fuente de precursores utilizados en una gran cantidad de industrias químicas. Sin embargo, al ser un recurso no renovable, su explotación a largo plazo plantea un serio problema para el suministro de estos productos. Como una alternativa potencial, la biomasa proveniente de las plantas proporciona una fuente renovable —inagotable— de materias primas. Particularmente, el bagazo corresponde a los residuos provenientes del procesamiento de frutas, vegetales, hortalizas y semillas; al encontrarse fuera de la cadena alimenticia humana y considerarse un producto de desecho, resulta un material relativamente económico.
En nuestro país se generan cantidades importantes de bagazo provenientes de las actividades agroindustriales. Solo por mencionar un ejemplo, durante el 2020 se generaron más de cien mil toneladas de bagazo de agave. Sin embargo, el uso eficiente y aprovechamiento de estos materiales para la formación de productos de alto valor agregado, requieren de la extracción de sus principales componentes.
¿De qué está constituido el bagazo?
El bagazo está constituido principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. La composición exacta depende de la especie vegetal y las condiciones de crecimiento de la planta. El componente estructural de la celulosa corresponde a la glucosa, que es la molécula asociada al sabor del azúcar. Sin embargo, en la celulosa las moléculas de glucosa están enlazadas entre sí formando cadenas grandes llamadas polímeros. La hemicelulosa está conformada por una mezcla de polisacáridos (azúcares); a diferencia de la celulosa que tiene una estructura repetitiva, la hemicelulosa es un polímero heterogéneo. Por su parte, la lignina también es un polímero heterogéneo, pero que está constituido principalmente por moléculas aromáticas.
¿Cómo se aprovecha el bagazo como materia prima?
Un paso fundamental para hacer uso del bagazo para la producción de compuestos de valor agregado, corresponde a la etapa de extracción y/o separación de sus componentes. Como un ejemplo, en el proceso de fabricación de bioetanol, que es semejante al alcohol de caña, se separan las cadenas de celulosa, posteriormente se hidrolizan (descomponen) en moléculas de glucosa y finalmente se fermentan para dar lugar a la producción del alcohol.
Bagazo de Agave. Fotografía: José Pérez.
A diferencia de la celulosa que está constituida únicamente por moléculas de glucosa, los componentes estructurales de la lignina proporcionan materiales de partida que pueden utilizarse en la formación de una amplia gama de productos químicos y biológicos importantes. De manera análoga a una refinería de petróleo, en una biorrefinería se realiza el procesado de la biomasa para transformarla en bioproductos (alimentos, reactivos químicos, combustibles) y energía. La principal ventaja de una biorrefinería, es el uso de materia prima renovable de bajo costo, misma que proporciona una opción sustentable y viable para la producción de productos químicos a largo plazo.
¿Qué retos deben superarse para la utilización del bagazo como materia prima?
Entre los principales problemas para el aprovechamiento del bagazo se encuentra la dificultad de separar cada uno de los componentes de la biomasa, un término que se conoce como recalcitrancia. Tanto en las etapas de pretratamiento (para disminuir la recalcitrancia o dureza del material) y extracción de la biomasa, se pueden emplear disolventes. Existen productos químicos altamente eficientes, pero que son muy dañinos con el ambiente; por otro lado, existen disolventes que pueden extraer una pequeña cantidad de uno de los componentes. En la actualidad, la búsqueda de nuevos disolventes corresponde a un área de investigación activa, misma que es de fundamental importancia para la operación y funcionamiento de una biorrefinería.
Piñas de agave durante el proceso de producción de tequila. Fotografía: José Pérez.
¿Cuáles son los mejores disolventes en el procesamiento del bagazo?
Durante los últimos años, se ha mostrado que los líquidos iónicos presentan una capacidad elevada para la extracción y deconstrucción de la biomasa. Los líquidos iónicos son sales con bajo punto de fusión (menor a 100 °C); están compuestos por moléculas cargadas, por lo que le confieren al líquido una gran estabilidad térmica y química; presentan propiedades deseables en disolventes, tales como una elevada capacidad de disolución; y, adicionalmente, presentan una baja presión de vapor (no son muy volátiles), por lo que es posible recuperar y reciclar el disolvente utilizado durante el proceso, característica que los hace ambientalmente amigables. Por otro lado, una gran diversidad de cationes y aniones pueden dar lugar a la formación de los líquidos iónicos, por lo que en principio es posible ajustar las propiedades de estos. Las razones anteriores explican porque los líquidos iónicos ofrecen una alternativa capaz de reducir la cristalinidad de la celulosa y de disminuir el contenido de lignina de la biomasa.
Uno de los principales inconvenientes que ha detenido el uso extensivo de los líquidos iónicos como disolventes, es su elevado precio. A pesar de que los mismos pueden ser recuperados casi en su totalidad durante la extracción de la lignina, el costo hace prohibitivo su uso en aplicaciones a gran escala. Sin embargo, en tiempos recientes, se ha mostrado que el pretratamiento de la biomasa con líquidos iónicos próticos, permite extraer grandes cantidades de lignina, de hasta el 70 % del total. El aspecto más importante de los líquidos iónicos próticos con respecto a los líquidos iónicos tradicionales, es que pueden sintetizarse a partir de precursores de bajo costo, lo que les confiere un papel importante en la economía del proceso.
El principal reto para el uso del bagazo es separar cada uno de los componentes de la biomasa, lo que requiere la búsqueda de nuevos disolventes eficientes que permitan generar compuestos químicos y biológicos de valor agregado y que, además, sean ambientalmente amigables.
Para Saber Más:
Alemán-Nava G.S., Ambientales C.D.B. y Latina A. (2015). «Bioenergy in Mexico: Status and perspective. Biofuels», Bioproducts and Biorefining, 9:8-20. https://doi.org/10.1002/bbb.1523
Pérez-Pimienta J.A., López-Ortega M.G. y Sanchez A. (2017). «Recent developments in Agave performance as a drought-tolerant biofuel feedstock: agronomics, characterization, and biorefining», Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 11(4): 732-748. https://doi.org/10.1002/bbb.1776
Sierra-Ibarra E., Gosset-Lagarda G. y Martínez-Jiménez A. (2021). «Las biorrefinerías son plataformas sustentables y más limpias», Biotecnología en movimiento, 27: 8-14. https://biotecmov.files.wordpress.com/2021/12/biotecmov2021q4_n27p08b.pdf
Jesús Jara Cortés. Profesor e Investigador de tiempo completo, Unidad Académica de Ciencias Básicas e Ingenierías, Universidad Autónoma de Nayarit, México.
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José Antonio Pérez Pimienta. Profesor e Investigador de tiempo completo, Unidad Académica de Ciencias Básicas e Ingenierías, Universidad Autónoma de Nayarit, México.
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