Las emisiones de gases efecto invernadero (GEIs) no dejan de incrementarse con el paso de los años debido a que las principales fuentes de energía siguen siendo los combustibles fósiles. Asimismo, las actividades antropogénicas favorecen la deforestación, lo que desequilibra la presencia de dióxido de carbono en la atmósfera. Todo ello, implica mayor presencia de GEIs en la atmósfera y se traduce en el calentamiento global.

Las consecuencias de la contaminación derivada por el exceso de estos gases y las emisiones continuas de la industria van desde las afecciones respiratorias en humanos hasta el deshielo y el cambio de las corrientes oceánicas. Todo ello podría traducirse en migraciones importantes dentro del reino animal, extinciones masivas, etc.

Con el objetivo de reducir las emisiones del principal gas involucrado en el efecto invernadero, el CO2, y todas sus alarmantes y conocidas consecuencias, se plantean soluciones sostenibles. Dentro de los abordajes de eliminación de este GEI, entran en juego las biorrefinerías.

Modelos de biorrefinerías para valorizar el CO2

Existen diferentes modelos de biorrefinerías: los residuos y subproductos industriales pueden convertirse en los recursos para generar otros bioproductos de valor, garantizando un mayor rendimiento económico de las empresas y la sostenibilidad de estas. Con el desarrollo de las biorrefinerías se reduce el impacto ambiental y la huella ecológica, y se generan productos de valor como biomateriales y biocombustibles.

Actualmente, hay varios tipos de modelos de biorrefinerías para valorizar el CO₂. Los principales productos derivados de la conversión de CO₂ mediante plataformas bacterianas son los hidrocarburos y los triacilglicéridos, EPS, PHA y CaCO₃. A partir de estos se pueden generar varios productos de interés industrial.

Nuevas estrategias de obtención de energía de manera sostenible mediante el uso de microorganismos

Microorganismos que producen biomateriales alternativos a los polímeros sintéticos

El uso de polímeros sintéticos es un problema a nivel ambiental, causante de gran parte de la contaminación de la biosfera. Una alternativa es el uso de biomateriales como sustitutos de estos plásticos. Los polihidroxialcanoatos son materiales del siglo XXI, producidos por diferentes microrganismos. Uno de los bioproductos derivados de las biorrefinerías ‘Gas to Chemicals’ son los polihidroxialcanoatos (PHAs). La cepa Cupriavidus eutrophus es capaz de sintetizar PHAs a partir de H₂ y CO₂.

Microorganismos con potencial para la producción de biocombustibles y materias primas químicas

Otros microorganismos, como las cianobacterias, también cuentan con un potencial prometedor para la producción de varios biocombustibles y materias primas químicas. Una cepa de Synechococcus elongatus muestra un rápido crecimiento con tolerancia pronunciada a altas temperaturas e iluminación. Esta característica la convierte en una candidata ideal para el desarrollo de la biotecnología fotosintética. No obstante, para poder sacar su máximo rendimiento, aún faltan datos acerca de su funcionamiento a nivel molecular para determinar sus mecanismos de rápida acumulación de biomasa y carbohidratos en condiciones óptimas de luz y temperatura.

Bacterias capaces de convertir gases residuales en combustibles y productos químicos

Las bacterias acetogénicas también pueden convertir los gases residuales en combustibles y productos químicos. Estudios recientes con la bacteria anaerobia Clostridium autoethanogenum, cultivada con CO₂ y H₂, revelaron estupendos resultados de obtención de etanol, aunque también se observaron limitaciones en la concentración de biomasa y la tasa de crecimiento. En este sentido, existen trabajos que investigan el modelado metabólico para predecir el rendimiento del cultivo y poder dibujar ajustes metabólicos que promuevan los resultados más adecuados en la fermentación con, también, presencia de CO, manteniendo al mismo tiempo un perfil de producto industrialmente relevante. Otros procesos industriales similares son comerciales o se están ampliando actualmente, lo que indica que la fermentación de CO₂ y H₂ complementada con CO tiene un alto potencial para la producción sostenible de combustibles y productos químicos.

Microorganismos capaces de producir metano y contenido de proteína

Otro trabajo centrado en la arquea anaeróbica estricta Methanosarcina acetivorans, estudió su cultivo en presencia de O₂ atmosférico durante unos meses para generar células adaptadas al aire. También caracterizaron los mecanismos bioquímicos desarrollados para lidiar con el O₂. El resultado fue una producción de metano y contenido de proteína, como indicadores del crecimiento celular y una producción de especies reactivas de oxígeno 50 veces menor en las células adaptadas al aire que en las células de control, lo que sugiere mecanismos antioxidantes mejorados. Otro dato obtenido de estos cultivos de largo plazo con células adaptadas al aire fue la capacidad de formar biopelículas. Todo esto, indica que M. acetivorans desarrolla múltiples mecanismos para lidiar con el O₂ y el estrés oxidativo asociado, como también sugieren los análisis del genoma de algunos metanógenos.

Con estos avances, se proporciona un conjunto de datos de referencia para avanzar en nuestra comprensión del CO₂ dentro de la fermentación de gases, que pueden contribuir a mitigar el cambio climático, así como en las nuevas estrategias de obtención de energía de manera sostenible mediante el uso de microorganismos.

Línea de I+D en biorrefinerías de residuos

En definitiva, en AINIA estamos trabajando y apostando por una línea que se centra en el ámbito de la biorrefinería de residuos, teniendo siempre en mente, la valorización de los subproductos. Todo ello forma parte de la línea de I+D en biorrefinerías de residuos que AINIA está desarrollando en el marco del programa PROMECE 2022 financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE).