Autoras: Maria Teresa Sanz Diez, Sagrario Beltrán Calvo y Alba Ester Illera Gigante, investigadoras de la Universidad de Burgos.
¿Te has preguntado alguna vez como podemos cambiar la actual economía, basada en recursos fósiles no renovables, por una bioeconomía, basada en recursos renovables?
La respuesta está en la valorización de la biomasa vegetal, que producimos en la actualidad en grandes cantidades y que generalmente rechazamos o infrautilizamos.
La biomasa vegetal se puede definir como cualquier tipo de materia orgánica que puede proceder de ecosistemas naturales, como bosques, o bien biomasa generada en diferentes procesos de producción como son los procesos agroindustriales.
Estos recursos naturales suponen una fuente abundante y alternativa a los recursos fósiles que en la actualidad se emplean para la obtención de energía y productos químicos. En el modelo económico actual, estos recursos fósiles, tales como el carbón, el petróleo o el gas natural son no renovables y además tienen un impacto negativo en el medio ambiente, siendo necesario avanzar hacia la descarbonización de la economía.
Cuando se habla de biomasa, existen muchas formas de clasificarla, siendo una de las más habituales la que se presenta en la Figura 1:
- Biomasa de primera generación (BIOMASA 1G) es aquella producida a partir de cultivos alimentarios (almidón del grano de trigo, maíz, azúcares, aceites vegetales).
- Biomasa de segunda generación (BIOMASA 2G) como residuos vegetales que no son destinados a la alimentación (residuos de los cultivos de trigo, maíz -hojas tallos-…..)
- Biomasa de tercera generación (BIOMASA 3G) que incluye algas y diversos sistemas acuáticos.
Una de las aplicaciones más conocidas de la biomasa en su uso como agente energético o bien la obtención de biocombustibles (bioetanol, biodiesel). Sin embargo, a partir de los componentes de la biomasa se pude llegar a obtener un amplio abanico de compuesto químicos, tradicionalmente obtenidos a partir de recursos fósiles. En la actualidad, la mayoría de estos productos derivados de biomasa, proceden de biomasa de primera generación, como el bioetanol, que en la actualidad se obtiene a partir de caña de azúcar, o granos de maíz, según el cultivo mayoritario en los diferentes continentes. Sin embargo, esta biomasa compite directamente con la alimentación y su uso para la obtención de productos químicos es cada vez más cuestionado. Por ello, la biomasa de segunda generación se plantea como una alternativa más sostenible para la obtención de productos. La valorización de esta biomasa 2G contribuiría a reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero y así conseguir el objetivo Fit for 55, según ha marcado la Unión Europea que pretende reducir esta emisiones en un 55 % para el año 2030, con respecto a 1990 [1]. Además, el empleo de recursos renovables generados como residuos o subproductos de otras actividades como materia prima en las biorrefinerías, es la base del concepto de economía circular [2], ya que se incide en los tres principios básicos de dicha economía: 1) eliminar residuos y contaminación desde el diseño, 2) mantener productos y materiales en uso y 3) regenerar sistemas naturales.
Sin embargo, la transformación de la biomasa 2G en productos químicos es difícil debido a la estabilidad de estas estructuras naturales que presentan fuertes enlaces químicos, lo cual hace difícil su ruptura. La biomasa 2G también se denomina biomasa lignocelulósica, ya que los principales componentes de la misma son celulosa, hemicelulosa y lignina.
Conozcamos un poco más en detalle estos tres componentes.
La celulosa y hemicelulosa son polisacáridos a partir de los cuales se pueden obtener azúcares más simples, como glucosa y xilosa, y mediante transformación química o bioquímica de estos azúcares más sencillos se pueden obtener otros compuestos químicos, los llamados compuestos plataforma (o bloques de construcción si traducimos directamente del inglés building blocks); ya que, a partir de ellos, se pueden obtener una variedad de compuestos químicos utilizados en diferentes industrias como la alimentaria, química, cosmética y farmacéutica. A todos no son familiares los procesos de fermentación alcohólica para producir etanol a partir de glucosa, pero también, a partir de estos azúcares empleando catalizadores químicos (compuestos que se añaden en pequeña proporción y que contribuyen en la transformación específica de los compuestos) se favorece la transformación de los azúcares en otros compuestos químicos como ácidos orgánicos, entre otros.
El tercer componente, la lignina, presenta una estructura aromática mucho más compleja. Por ello, su valorización en biorrefinerías presenta en la actualidad retos todavía mayores. Las aplicaciones potenciales de la lignina son tales como fuente natural de energía y la obtención de macromoléculas aromáticas.
Estos tres componentes no se encuentran de forma aislada en la estructura de la biomasa, sino que están interaccionado entre si mediante fuertes enlaces químicos, lo cual confiere a la estructura vegetal una alta resistencia a su degradación. Según se observa en la Figura 2 la biomasa lignocelulósica consiste en haces de celulosa entrelazados con hemicelulosa y lignina. El primer paso para valorizar esta biomasa en una biorrefinería, similar a las actuales refinerías basadas en la ruptura de las fracciones de crudo de petróleo, es romper esta estructura, para fraccionar y separar los distintos componentes de la misma. Este fraccionamiento es la base del concepto de biorrefinería actual. Por otra parte, como ya se ha señalado anteriormente, el empleo como materia prima en las biorrefinerías de recursos renovables generados como residuos o subproductos de otras actividades es la base del concepto de economía circular.
En la actualidad se plantean diferentes estrategias y tecnologías para conseguir este fraccionamiento de la biomasa lignocelulósica. En el grupo de investigación BIOIND reconocido por la UBU [3,4], se desarrollan diferentes proyectos de investigación en los que se propone el empleo de agua como disolvente verde en diferentes condiciones de presión y temperatura. Calentar la biomasa en presencia de agua líquida a 180 ºC (a una presión suficiente para mantenerla en estado líquido) contribuye a la disolución de las hemicelulosas, mientras que genera un residuo sólido rico en celulosa y lignina (ver Figura 3). Esto es posible, ya que, según se apreciaba a nivel cualitativo en la estructura de la biomasa lignocelulósica (ver Figura 2), las hemicelulosas, presentan una estructura más amorfa, siendo más fáciles de romper.
Esta fracción de hemicelulosas disueltas continúan rompiéndose hasta producir los azúcares más pequeños que la forman, y que serán principalmente azúcares de 5 atómos de carbono, fundamentalmente xilosa. Esta xilosa puede transformarse mediante procesos catalíticos en algunos de los compuestos clasificados como “compuestos plataforma” según el Departamento de Energía de Estados Unidos [5] y que abarcan desde ácidos orgánicos (ácido levulínico, ácido succínico, etc.) hasta compuestos valiosos como furfural, con múltiples aplicaciones en diferentes industrias.
De esta forma, se cumple un doble objetivo, valorizar la fracción de hemicelulosas y hacer más accesible la fracción de celulosa, altamente cristalina, que puede hidrolizarse o romperse más fácilmente en su componente más sencillo, la glucosa, que a su vez, mediante procesos de fermentación puede dar lugar a otros productos como bioetanol. Con el esquema de biorrefinería planteado en la Figura 3 se consigue una valorización de biomasa de bajo valor, obteniendo compuestos de alto valor como el furfural a partir de xilosa o bioetanol a partir de glucosa empleando biomasa 2G, en lugar de biomasa 1G, como ocurre en la actualidad, eliminando de esta forma la competición directa con la alimentación basada en el consumo de grano de cereales.
Por lo tanto, la biomasa lignocelulósica o 2G se plantea como una fuente de obtención de productos dentro del concepto actual de biorrefinería, permitiendo crear valor a partir de productos considerados como residuos apostando por un futuro circular.
Si estás interesado en los resultados obtenidos en los proyectos desarrollados por el grupo BIOIND, consulta la página web del grupo [3,4].
Referencias
- https://www.consilium.europa.eu/es/policies/green-deal/fit-for-55/
- https://www.ellenmacarthurfoundation.org/es
- https://www.ubu.es/bioind
- https://investigacion.ubu.es/grupos/1765/detalle
- Top Value Added Chemicals from Biomass. Volume I-Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas. U.S. Department of Energy. Energy Efficiency and Renewable Energy.
Este artículo ha participado en el VII Concurso de Artículos de Divulgación Científica de la Universidad de Burgos.
