macrotendencias biotecnología blanca

MACROTENDENCIAS BIOTECNOLOGÍA BLANCA
Biotecnología Blanca (o Biotecnología Industrial) según la Royal Belgian Academy Council
of Applied Science es la aplicación de la biotecnología moderna para la producción
industrial de sustancias químicas y bioenergía, usando células vivas y sus enzimas,
resultando en procesos más limpios con una mínima generación de residuos y uso de
energía. [1]. Otra definición que amplia este concepto es la aportada por la United States
International Trade Commission la cual afirma que la biotecnología industrial es la
manufactura de combustibles líquidos y productos químicos usando enzimas,
microorganismos, fermentación, o biocatálisis en cualquier etapa de producción, sin tener
en cuenta el tipo de materia prima usada, (es decir, biomasa o sustancias inorgánicas) ó la
manufactura de combustibles líquidos y productos químicos a partir recursos renovables
sin tener en cuenta el tipo de tecnología de procesamiento usado [2].
La agenda de Biotecnología en la estructuración de trabajo ha contemplado los siguientes
temas para la búsqueda de macrotendencias:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Materiales producidos por Biotecnología.
Tecnología de enzimas.
Biocombustibles.
Biorefinería.
Aprovechamiento de residuos.
Biocompositos.
MACROTENDENCIAS
1. Materiales producidos por Biotecnología.
Los materiales producidos por biotecnología abarcan una amplia gama de biomateriales
entre los cuales se encuentran químicos, farmacéuticos, productos especializados, aceites
industriales, biopolímeros y fibras [3, 4]. La lista de materiales producidos por
biotecnología es considerable e incluye 1,3-propanodiol (1,3-PD), compuesto base para la
fabricación de biopolímeros, ropa, alfombras, resinas, compositos de biofibras. El 1,3-PD
es hecho de jarabe de maíz por la bacteria modificada de Escherichia coli, y residuos como
glicerol a través de Klebsiella pneumoniae entre otros microorganismos. Se espera que
para el año 2020, el mercado mundial proyecte una producción de alrededor 230000 ton.,
en compañías como DuPont [5-8].
Los Biopolímeros los cuales son materiales derivados de monómeros de origen renovable
como el Ácido polilactico (PLA), Polihidroxialcanoatos (PHA) y BioIsopreno. En conjunto,
dichos biopolímeros nos introducen al mundo de los Bioplásticos. La producción de
plásticos a partir de biopolímeros alcanza alrededor de 0.36 millones de toneladas al 2007,
que equivale al 0.3 % de la producción global de plásticos. Sin embargo, la tasa de
crecimiento asciende al 38%. La ventaja de estos Bioplásticos es su gran Biodegradabilidad
y reducción de gases de efecto invernadero mitigando el problema de los depósitos de
plásticos derivados del petróleo. La capacidad máxima de sustitución técnica de los
biopolímeros para reemplazar los polímeros petroquímicos está estimada en 270 millones
de ton o 90% de los polímeros consumidos en el 2007 alrededor del mundo. Se espera que
la capacidad global de Bioplásticos se incremente de 360000 ton en el 2007 a 2.3 millones
de toneladas en el 2013. Su obtención se puede analizar desde cuatro aspectos:
a. Desde polímeros naturales como poliéster, polisacáridos, proteínas,
poliisopenoides.
b. Desde cultivos genéticamente modificados.
c. Desde monómeros producidos por fermentación que son polimerizados enzimática
y químicamente.
d. Biopolímeros directamente cultivados después de una fermentación microbiana.
Empresas como Metabolix, Dow Chemicals, Novamont, Cereplast, Teijin,Natureworks,
Hisun, Tianan, Plantic, Innovia, Procter & Gamble, Kaneka, and Arkema son las mayores
productoras de biopolímeros. Otros materiales como fibras con propiedades inusuales son
sintetizados a partir de arañas, moluscos, insectos y otros recursos. El Ácido Hialuronico y
el colágeno son muestras de biopolímeros de fuente animal y gran aplicación
farmacéutica e industrial. (Ver tabla 1.) [7, 9].
Tabla 1. Ejemplos de biomateriales y sus aplicaciones. [9]
Biopolímero
Aplicación
Arañas, insectos y otras fuentes
Dispositivos médicos, tejidos artificiales,
materiales de alto desempeño, etc.
PLA, PHA, almidón, polímeros de celulosa
Plásticos biodegradables, dispositivos
médicos y vendaje para heridas,
aplicaciones en industrias de alimentos, etc
Colágeno, gelatina
Alimentos, tejidos artificiales y huesos,
drogas.
Ácido Hilauronico
Osteoartritis, quimioportadoras,
cosméticos
Xantano
Alimentos, recuperación de aceite
enriquecido.
2. Tecnología de Enzimas.
La aplicación de las enzimas en muchos procesos industriales demuestra tener una gran
demanda en el mercado global, debido a sus características de especificidad y gran control
sobre los procesos. A nivel investigativo, como se puede apreciar en la tabla 2, el
descubrimiento, estudio y utilización de enzimas va en crecimiento anual de acuerdo a los
requerimientos industriales (ver tabla 3).
Tabla 2. Revisión de las clases de enzimas presentadas en las pasadas 4 ediciones del
simposio de Biotransformaciones. [9]
Clase de enzima
2009
2007
2005
2003
%
%
%
%
Oxidoreductosas
32
34
24
28
Transferasas
10
8
6
3
Hidrolasas
46
41
55
58
Liasas
9
12
12
10
Isomerasas
3
2
2
1
Ligasas
0
1
0
0
*Los porcentajes no suman el 100% debido a que no todas las presentaciones eran
dedicadas a biotransformaciones.
Es claro de la tabla 2 la marcada investigación en hidrolasas en contraposición al deseo de
las industrias en el campo de las liasas y transferasas. (Tabla 3).
Tabla 3. Lista de enzimas deseadas por la industria de biotransformaciones. [9]
Enzima
Requerimiento industrial
Oxidoreductasas
Monooxigenasa Robust P450, Bayer-Villiger
monooxigenasa, dehidrogenasa, enoato
reductasas, haloperoxidasas, peroxidasas,
oxigenasas.
Liasas
Enlaces C-C asimétrico Liasas, C-N
aminoliasas, C-O hidratasas
Transferasas
Principalmente transaminasas, glucoronil
transferasas y sulfotransferasas.
En la tabla 4 se puede analizar también algunas de las aplicaciones de enzimas que tienen
gran potencial en la industria biotecnológica. En ella es claro, como el uso de enzimas
como furanonas para reducir el ensuciamiento de equipos industriales e implantes
médicos por el depósito de películas de microorganismos tiene una gran acogida debido a
que en USA este problema haciende en alrededor de 3 billones de U.S. dólares. En el area
de la salud personal y dental, se enfocan las enzimas mutanasas o enzimas hidrolíticas
que previenen la caída de los dientes por problemas de higiene. En la industria de los
alimentos, su uso es muy diverso. Producción de glucosa desde almidón (enzimas
hidrolíticas) , producción de jarabe de fructosa (isomerasa) y vitamina C (oxidoreductasa),
conversión de lactosa a galactosa y glucosa (hidrolasa), producción de queso (proteasa)
son muchos de los ejemplos de tecnología de enzimas. [2, 8, 9]
Tabla 4. Usos y aplicaciones de ciertas enzimas de potencial industrial. [9]
Clase de Enzima
Aplicación
Tranglutaminasa
Desdoblamiento de pieles
Furanonas
Prevención de ensuciamiento o Biofilm
Fosfatasas
Descontaminación pesticida
3. Biocombustibles.
La creciente necesidad de incorporar nuevas fuentes de energía renovable en el mundo,
ha hecho intensificar la investigación en el campo de los biocombustibles. Es claro, que las
reservas de petróleo se agotan día a día, sin embargo, su uso según la matriz energética
mundial (ver figura 1) es el principal (35%) en comparación a la energía proveniente de
fuentes alternativas como la renovable (11%). (International Energy Agency 2007). Esto
acarrea que las emisiones de gases de efecto invernadero principalmente de CO2 vayan en
aumento en una proyección al 2030 como se contempla en la figura 2., haciendo que la
demanda de energía más limpia sea prioridad tanto en la búsqueda de nuevas materias
primas, como en tecnologías de procesamiento más eficientes. (Instituto Mundial de
recursos).
Figura 1. Matriz energética mundial. (Fuente: (International Energy Agency 2007)
Países desarrollados
Países no-desarrollados
Figura 2. Tendencias de crecimiento de CO2 emitido a la atmosfera para países
desarrollados y no desarrollados. (Fuente: Instituto Mundial de recursos.)
La Agencia Internacional de Energía estima que hasta la mitad del siglo XXI la demanda
energética puede crecer cerca de un 80%, en su escenario de referencia. En la Figura 3 se
presentan las estadísticas del pasado reciente y las proyecciones de mediano plazo, para
la demanda de energía de los diferentes sectores. Es importante verificar que la previsión
del incremento más alto es para la electricidad, seguida por transportes, justamente el
sector donde la biomasa puede aportar energía durante el período.
Los principales hechos responsables del incremento en la demanda de energía son el
crecimiento de la población mundial, que debe estabilizarse en la segunda mitad del siglo
XXI, el económico y el de la renta per cápita. Los avances tecnológicos deben reducir la
intensidad energética del crecimiento económico, para lo cual se requieren políticas
públicas de ahorro de energía que logren evitar un aumento aún más intenso de la
demanda. En una visión de más largo plazo, la tendencia es hacia un market share más
amplio para fortalecer la producción de energía solar (solar concentrada, fotovoltaica o
térmica) y por eólica. Las ventajas comparativas del corto plazo favorecen la biomasa.
Para un período más largo, los avances tecnológicos provocarán que las energías solar y
eólica tengan una mayor participación en la matriz energética.
En la Figura 3, por su parte, se ilustra el avance de las fuentes de energía renovable. Por
tratarse de una visión exclusivamente prospectiva, en ambas figuras se utilizan criterios
cualitativos, con poca precisión de la participación en la línea del tiempo. También se
evidencia que por su característica finita, las fuentes fósiles, como el petróleo, tendrán un
“pico” de producción en el mediano plazo y disminuirán su participación en la matriz
energética en el largo plazo. Una vez que se crea un desequilibrio entre la oferta y la
demanda de energía, la tendencia será reemplazar las fuentes fósiles por renovables, no
solamente por su carácter de sustitución, sino por los impactos ambientales negativos
reducidos y por la distribución más “democrática” entre los países. Se espera que no haya
una concentración excesiva de las fuentes fósiles, las cuales en muchas ocasiones han sido
las responsables de conflictos geopolíticos.
Figura 3. Demanda de energía por sectores. (Fuente: Agencia internacional de energía)
Por el momento, se considera que el biodiesel sea competitivo en relación con el petróleo
en el rango de los US$50-65/barril y el etanol a partir de los US$35/barril. Mientras tanto,
con el avance de escala y de tecnología, esta relación debe cambiar, en especial con los
sucedáneos de petrodiesel, que deberán ser competitivos por debajo de los US$50/barril
de petróleo.
Figura 3. Línea de tiempo de la evolución de energía renovable.
La Figura 4 indica la evolución específica de los biocombustibles, asociada con los cambios
en la matriz energética y su participación en la composición de energías renovables. Se
destaca que los cambios en el tiempo están directamente asociados con el avance
tecnológico vinculado con las demandas sociales por eficiencia energética más alta y por
optimización de la densidad energética.
Figura 4. Evolución de los biocombustibles durante el siglo XXI.
Figura 5. Evolución de las materias primas para la producción de biocombustibles.
En la Figura 5 se presentan los cambios en la evolución de la materia prima por utilizarse
en la producción de biocombustibles. Estos cambios se deberán a ajustes en los cultivos u
otras fuentes de materia prima, en base a ciertos aspectos mencionados a continuación:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
Balance energético altamente positivo.
Alto poder calorífico inferior.
Alta densidad energética por unidad de área.
Carbono neutro o positivo.
Costo viable para los consumidores.
Disponibilidad de materia prima o facilidad de producción.
Facilidad de inventario, portabilidad y seguridad.
Amplia distribución y acceso.
(Tomado y adaptado según el texto de Series Crisis Global y seguridad alimentaria.
Biocombustibles y alimentos en América Latina y el Caribe de Decio Luiz Gazzoni. Instituto
Interamericano de Cooperación para la agricultura 2009). [1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11]
4. Biorefinerías y aprovechamiento de residuos
Un reporte reciente de C&News 2009 estima que alrededor de 100 billones de U.S.
dólares del actual mercado global de químicos, 3% son derivados de materias primas
derivadas de fuentes biológicas, fermentaciones, conversiones enzimáticas o combinación
de ellas. Sin embargo, este reporte proyecta que los químicos derivados de fuentes
renovables o biológicas tendrán un crecimiento de alrededor de 15% de las ventas
globales de químicos para el año 2025. Muchos de estos productos serian manufacturados
en biorefinerías por la rápida implementación de la emergente biotecnología industrial. El
enfoque naciente de biorefinerías proyecta la producción de bioproductos desde tres
fuentes: una producción directa usando procesos de conversión catalíticos y
termoquímicos desde materias primas biológicas (Primera generación de Biorefinerías),
biorefinación o producción por tecnologías de conversión bioquímica y expresión en
plantas (Segunda generación de Biorefinerías), y producción desde plantas
genéticamente modificadas y diseñadas con bases funcionales de biomonómeros fuente
de varios bioproductos (Tercera generación de Biorefinerías). La primera generación es
una realidad, evidenciado en la producción de 1,3-PD y PLA desde glucosa derivada de
maíz y otros. La comercialización reciente de bioplastificantes para PVC, resinas de
poliéster para recubrimientos, biopolioles para espumas de uretano y aceites vegetales es
un claro cimiento de esta tendencia.
La segunda generación de biorefinerías se encuentra basada sobre varias plataformas
como carbohidrato/celulosa, aceite, glicerina y algas, cuyo estado del arte se encuentra en
escala piloto. La tercera generación se encuentra en fase de investigación y patentes,
donde se evidencian la introducción de grupo funcionales para alcanzar altos contenidos
de aceite en plantas. Obtención de acido oleico y aceite de canola enriquecido son claros
ejemplos. [12]
Algunos ejemplos de Biorefinerías y bioplataformas con sus proyecciones se mencionan a
continuación. (Las figuras se toman de los artículos originales sujeto a modificación por
derechos de autor).
Figura 6. Biorefinería emergente a partir de palma.[12]
Figura 7. Biorefinería a partir de microlagas. [13-15]
Figura 8. 5-Hydroxymethylfulfural (HMF) derivado de biomasa celulósica y su potencial
conversión en muchos bioproductos que actualmente son derivados del petróleo. [12]
Plantas de
Biodiesel/Bioetanol
Glicerina cruda
Biomasa
Microorganismo
Químicos
1,3-PD
Acido Acético
Acido Butírico
Acido Láctico
Acido Fórmico
Acido Propiónico
Acido Succínico
Fuente de Nitrógeno y
carbono
Combustibles
Etanol
Butanol
H2
Biogas
Figura 9. Plataforma de producción de bioproductos derivados de glicerina cruda. [12]
Figura 10. Plataforma de una biorefinería propuesta por DNP Green
Technology and GreenField Ethanol. [7].
Figura 11. Mercados potenciales para bioproductos en la Unión Europea hacia 2050.
Es claro, que el concepto de biorefinería abarca el aprovechamiento de residuos en la
medida en que otros procesos permitan utilizarlo como una nueva materia prima para
nuevos productos y subproductos con un valor agregado. [6]. Los residuos relacionados
con la cosecha donde se producen millones de toneladas al año de hojas, tallos, malezas,
etc. En este caso se incluyen también los residuos de los cortes madereros y los mataderos
de animales. La mayor cantidad de estos residuos en el mundo representa biomasa
residual, en particular lignocelulósica. Otros como la glicerina, son residuos provenientes
de procesos productivos complejos que involucran transformaciones químicas y
bioquímicas. En ambos casos su potencial de aprovechamiento hacia otros productos de
alto valor agregado. El glicerol por ejemplo como se observó en la figura 9 tiene muchas
vías de síntesis química y biológica. De forma análoga, los residuos lignocelulósicos como
el bagazo de caña, los residuos de café, cascarilla de arroz, paja de arroz, entre otros,
ofrecen una gran posibilidad de producción de energía y biocombustibles prometedores
(Ver figura 5). [6, 10]. Figura 12 muestra la tendencia de los residuos en la comunidad
europea.
Figura 12. Estudios de las tendencias de los residuos agroindustriales en la comunidad
europea. [16]
5. Biocompositos.
Compositos son todos los materiales que contienen dos o más fases de constituyentes
distintos sobre una escala más grande que la atómica. El término biocomposito se refiere
a todo material formado por una matriz (resina) y un reforzamiento de fibras naturales
(usualmente derivadas de plantas o celulosa) con aplicaciones en las industrias médicas y
de construcción. Dada su origen biotecnológico posee grandes ventajas como se cita a
continuación:
a. Aspectos ambientales: fibras vegetales, son recursos renovables. Necesitan bajos
requerimientos de energía durante la producción. Por otra parte, las
fibras naturales mostrar neutralidad de dióxido de carbono y su eliminación se
puede hacer mediante el compostaje.
b. Aspectos biológicos: son productos naturales orgánicos. No hay problema dérmico
para
su manipulación en
comparación con fibras
de
vidrio
y no representan un peligro biológico de su eventual disposición.
c. Aspectos de producción: Las fibras naturales son no abrasivo y conformabilidad
gran exposición.
d. Componente Problemas de peso: Las fibras naturales son de peso
ligero (menos de la mitad de la densidad de las fibras de vidrio).
e. Aspectos financieros: Las
fibras
naturales son
muy baratos en
comparación con las fibras de vidrio.
f. Aspectos Generales: Las fibras naturales tienen un comportamiento más
seguro en las pruebas de choque (es decir, sin fragmentación). Además,
presentan buenas propiedades de aislamiento térmico y acústico, debido a sus
estructuras tubulares huecos.
g. De alta resistencia específica.
h. Buen aislamiento acústico.
Figura 12. Tendencia a 2005 del mercado de los Biocompositos.[17]
La sostenibilidad, la ecología industrial, eco-eficiencia, y la química verde están guiando el
desarrollo de la próxima generación de materiales, productos y procesos. Los plásticos
biodegradables y productos de polímeros de base biológica sobre la base de materias
primas agrícolas y biomasa renovable anualmente pueden constituir la base para una
cartera de productos sostenibles, eco-eficientes que puedan competir y capturar los
mercados actualmente dominado por los productos basados exclusivamente en la reserva
de petróleo. La única fuente disponible en la actualidad que se centra en los materiales de
base biológica, Fibras Naturales, biopolímeros, y Biocompositos integra los principios de
sostenibilidad, ecología industrial, eco-eficiencia, y la química verde y de ingeniería en el
desarrollo de la próxima generación de materiales, productos y procesos. La Figura 14
muestra la tendencia creciente en el uso de Biocompositos. [17]
PROYECCIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA BLANCA.
Figura 13. Prespectiva de la biotecnología blanca al 2021 en la comunidad Europea. [8]
Tabla 5. Grado de impacto de las posibilidades y aplicaciones ofrecida por la biotecnología
blanca en diversos sectores de la industria. [9]
Fermentación
bacteriana
Fermentación
de levadura
Fermentación
de Hongos
Fermentación
de algas
Cultivo de
Protozoarios
Cultivo de
células de
planta
Plantas
genéticamente
modificadas
Cultivo de
células de
insectos
Cultivo de
células de
mamíferos
Animales
transgénicos
Combustibles
Químicos
Aplicaciones
industriales
***
Alimentos
Salud
***
Polímeros y
materiales
***
***
***
***
***
***
**
*
***
***
*
**
*
***
**
***
***
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**
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***
**
**
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****: Máximo impacto; *: impacto limitado.
REFERENCIAS
1.
2.
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5.
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