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Tema 23. Tecnologías limpias. Producción de biocombustibles: biomasa, biogas,

biodiesel, etanol, hidrógeno. Producción de plásticos biológicos.

Biotecnología medioambiental Tema 23

�Cambios en los procesos que impliquen la sustitución de métodos químicos por enzimas o

microorganismos (incluyendo organismos modificados genéticamente: OMGs o GMOs).

�Control integrado de plagas y de cosechas que reduzca el uso de insecticidas y herbicidas

(productos agroquímicos).

�Control biológico: uso de materiales biológicos para el control de plagas y enfermedades. Esto incluye desde usar biopesticidas (por ejemplo, la toxina de Bacillus thuringiensis) a crear plantas

transgénicas resistentes a plagas.

�Mejora biológica de la producción agrícola: incluye desde el uso de microorganismos beneficiosos (rizobios, PGPRs, micorrizas, etc.) a la creación de plantas transgénicas más

productivas.

�Recuperación de recursos naturales: p. ej., la lixiviación microbiana permite recuperar metales

con un coste energético muy inferior a los procedimientos tradicionales de extracción.

�Producción de plásticos biodegradables por microorganismos.

�Desulfuración biológica del carbón y del petróleo.

�Uso de biomasa como fuente renovable de energías. Biocombustibles.

La reducción de la contaminación en su origen abarca un gran número de aproximaciones

metodológicas que en conjunto pueden llamarse Tecnologías Limpias y que comprenden

cambios en los procesos, cambios de procesos y cambios de material de partida:

Tecnologías limpias

Biotecnología medioambiental Tema 23Green chemistry

La química verde, green chemistry, hace referencia al uso de procesos industriales menos

contaminantes. Dentro de esta filosofía cobra gran importancia la biotecnología mediante el uso

de organismos o enzimas. En la actualidad los procesos verdes basados en procesos biológicos

constituyen alrededor del 5% de los procesos químicos industriales. Sin embargo se espera que en

la próxima década ese porcentaje suba al menos a un 10-20%, en parte al menos por la aplicación

de nuevas técnicas en la búsqueda de microorganismos y enzimas y en la mejora por ingeniería

genética de ambos en el laboratorio. La sustitución de procesos puramente químicos por procesos

biotecnológicos persigue fundamentalmente dos objetivos desde el punto de vista ambiental:

disminuir el gasto energético y de agua y minimizar la producción de compuestos contaminantes,

y todo ello de forma compatible con la rentabilidad.

Las enzimas tienen diversas aplicaciones industriales (datos de 1999):

- enzimas técnicas (detergentes, industrias textiles, industrias papeleras,

alcoholeras, tenerías, etc. ). 63%

- enzimas para alimentación humana (industrias productoras de pan y

confitería, zumos, aceites, vino, cerveza y bebidas alcohólicas). 31%

- enzimas para alimentación animal (fabricación de piensos). 6%


Uso industrial de enzimas

Biotecnología medioambiental Tema 23Uso industrial de enzimas


Lignina

Ejemplos de contaminantes industriales

La madera es la materia prima para la fabricación

de papel y cartón. Los principales constituyentes de

la madera son lignina (una macromolécula

polifénolica ramificada sin estructura única),

celulosa y hemicelulosa (un heteropolisacárido de

glucosa, galactosa, fructosa, etc, unidos por enlace

β1→4). La eliminación de lignina es complicada y

se suele hacer mediante extracción alcalina a alta

temperatura (pulpeo), seguido de blanqueo con

cloro, procedimientos son muy contaminantes. En

los efluentes de estas industrias se mezclan fenoles,

polifenoles y quinonas derivados de la lignina con

reactivos clorados procedentes del blanqueo, por lo

que se generan compuestos clorocarbonados como

bifenilos policlorados o dioxinas. En la actualidad

estos procesos tienden a ser reemplazados con el

uso de microorganismos ligninolíticos o enzimas

procedentes de ellos como xilanasas (degradan

hemicelulosas) y diversas enzimas ligninolíticas

(peroxidasas y lacasas): biopulpeo y bioblanqueo.


Mecanismo de acción de las lacasasLas lacasas son fenol-oxidasas que contienen cuatro átomos de cobre en su estructura (de ahí que se les llame enzimas azules) y que reducen el oxígeno molecular a agua llevando a cabo la oxidación de una amplia gama de sustratos aromáticos tales como aminofenoles, polifenoles, difenoles, aminas aromáticas, arilaminas, diaminas, poliaminas asícomo dímeros de lignina fenólicos e incluso no fenólicos en presencia de algunos intermediarios (lo que amplia su rango de acción). En los últimos años estas enzimas están tomando un enorme protagonismo tanto en prevención de la contaminación como en el tratamiento de ésta (por ejemplo, tratamiento de efluentes de industria papeleras para degradar los restos fenólicos y minimizar la formación de clorocarbonados, tratamiento de efluentes de destilerías, industria aceitera y cervecera, biodegradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos, etc).


La adición de fitasa degrada los fitatos vegetales, que son la forma principal de almacenamiento de fósforo en

las semillas. Los animales monogástricos (aves, cerdos, humanos) no pueden digerir los fitatos de modo que

una gran parte del fósforo es excretado y se incrementan los niveles de fosfatos en las áreas de cría intensiva.

Además, los fitatos se acomplejan con metales como hierro, zinc, magnesio y calcio, lo que disminuye sus

disponibilidad para los animales. La fitasa hidroliza los fitatos en mioinositol y ácido fosfórico que pueden

ser digeridos. Así, la adición de fitasa a los piensos animales incrementa la disponibilidad de fósforo y

metales, lo cual reduce la cantidad de pienso necesaria y de fósforo excretado.

Biotecnología medioambiental Tema 23Enzimas de hipertermófilos


Indigofera tinctoria es una planta leguminosa (Fabaceae) que es la fuente original del colorante índigo. Actualmente se cultiva en Asia tropical y templada, y partes de África, pero su hábitat primigenio se desconoce . Ha sido cultivada en todo el mundo desde muchos siglos. Actualmente la mayor parte del índigo se obtiene por síntesis química, pero el proveniente naturalmente de I. tinctoria aún se consigue, vendido como colorante natural. La planta además es un buen cultivo protector del suelo.

Producción de índigo

Biotecnología medioambiental Tema 23Producción de índigo

3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate (DAHP)

Biotecnología medioambiental Tema 23Energías renovables

Se denominan energías renovables a las que se obtienen de fuentes naturales

virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que

contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

El girasol, icono de las energías renovables por su aprovechamiento de la luz solar, su uso para fabricar

biodiesel y su parecido con el sol, origen de las energías

renovables

En Europa, el consumo actual de energías

renovables es de un 6,3%

World total primary energy supply 2004, shares of

11.2 billion tons of oil equivalent, or 470 EJ

•Energía hidroeléctrica

•Energía solar

•Energía geotérmica

•Energía eólica

•Energía mareomotriz

•Biomasa (biocombustibles)


�Disponibilidad finita (no son renovables): se estima que las reservas de petróleo y gas son para aproximadamente un siglo, y las de carbón, el más contaminante, para 3-4 siglos. En la actualidad se consumen a un ritmo 105 veces superior al de su formación.�Producción de gases de efecto invernadero (calentamiento global).�Producción de otros contaminantes (contaminación del aire, lluvia ácida).

Combustibles fósiles

Energía nuclear�La fisión nuclear libera 50 millones de veces más energía que el carbón: se usan pequeñas cantidades de uranio, se reduce el problema de transporte (cantidad), no se liberan gases. �Residuos altamente peligrosos y difíciles de almacenar.�Riesgo de catástrofes.

Energías renovables


Airtricity

•Energía solar:Térmica, fotovoltaica, producción de hidrógeno.

•Energía geotérmica: En áreas de actividad volcánica y tectónica una gran

cantidad de calor procedente del interior terrestre (el

centro está a unos 4.000ºC) queda acumulado en rocas

fundidas que puede ser extraído mediante captación de

agua caliente para calefacción.

•Energía mareomotriz:El ascenso y descenso regular de los niveles de agua en las mareas puede ser empleado para generar electricidad en un proceso limpio, fiable y duradero. Impacto ambiental local.

•Energía hidroeléctrica:Es un proceso limpio y duradero, dirigido indirectamente por la radiación solar que impulsa el ciclo del agua. Actualmente suministra el 17% de la electricidad en países desarrollados y el 31% en países en vías de desarrollo. Sin embargo, tiene un elevado impacto medioambiental a nivel local o regional.

•Energía eólica:Es uno de los métodos más prometedores y en la actualidad se están instalando numerosas granjas de viento tanto en zona continental como en el mar.

Energías limpias

Las energías realmente renovables (es decir, que se renuevan) son las más

contaminantes y se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa y se pueden

utilizar directamente como combustible (madera u otra materia vegetal sólida) o

bien convertida en biodiésel, bioetanol, biogás o biohidrógeno mediante diversos

procesos. Otra alternativa es la producción de electricidad mediante pilas basadas

en microorganismos.

Las energías de fuentes renovables contaminantes tienen el mismo problema que la

energía producida por combustibles fósiles: en la combustión emiten dióxido de

carbono, gas de efecto invernadero. Sin embargo, se considera que esa liberación

de dióxido de carbono es neutra puesto que previamente este se ha captado de la

atmósfera para fijarse en biomasa. A menudo su combustión no es tan limpia como

la de los combustibles refinados, emitiendo hollines y otras partículas sólidas.

También se puede obtener energía a partir de los residuos sólidos urbanos.




En la actualidad, las energías renovables están en alza. El 10 de marzo de 2007

la UE se ha comprometido a un doble objetivo, obligatorio para 2020: reducir un 20%

las emisiones de estos gases de efecto invernadero respecto a 1990, y aumentar hasta un

20% el consumo de energías renovables sobre el total (en la actualidad es de un 6,3%

en la UE).

El consumo de biocombustibles debe ser al menos del 10%. Por su parte,

Suecia pretende ser independiente del petróleo en pocos años. A cinco años de la

renovación del famoso protocolo de Kyoto, Europa toma así la cabeza de la resolución

de un problema global, con la esperanza de que países como Estados Unidos y China -

sin los cuales estos esfuerzos serán inútiles- se sumen a esta posición. Si lo hacen, el

compromiso europeo de reducción de emisiones nocivas subiría a un 30%.

España está bien situada en cuanto a energía eólica pero no tanto en cuanto a

energía solar. Sin embargo se está potenciando mucho tanto la energía solar

fotovoltaica (destinada a generar electricidad) como la térmica (destinada a obtener

calor; pronto será de instalación obligatoria en las viviendas de nueva construcción).



Los biocombustibles derivan de biomasa (organismos que han vivido recientemente o sus productos o desechos metabólicos, como los excrementos). A diferencia de otros combustiblesnaturales (petróleo, carbón, combustibles radioactivos) son una fuente de energía renovable. Una definición de biocombustible podría ser: cualquier combustible que al menos en un 80% derive de organismos vivos recolectados en los 10 años que preceden a su producción. Al igual que el carbón y el petróleo, la biomasa es en su mayor parte una forma de energía solar almacenada. Otra ventaja de los biocombustibles es que son biodegradables y por tanto no demasiado peligrosos para el ambiente si accidentalmente se vierten a éste.Entre sus desventajas:- Encarecer los precios de los alimentos: muchos agricultores pueden reconvertir su producción a plantas como maíz (para etanol) o soja (para biodiésel), pero si se hace sin la debida planificación ello puede conllevar el encarecimiento de los precios de los alimentos. Esto puede ser especialmente grave en los países en desarrollo donde además puede agravar el problema de la escasez de alimentos.- Instauración de monocultivos: perdida de diversidad genética.- Pérdida de superficie forestal para cultivos de biocombustibles (la pérdida de fijación de CO2 o la emisión por incendios para deforestar puede ser superior al beneficio del biocombustible).- Gasto energético en los cultivos (fertilizantes, tractores, etc): por eso quizás las leguminosas como la soja puedan ser las plantas con más futuro para biocombustibles.En cualquier caso, el uso directo de biomasa para obtener calor o electricidad y el uso de biocombustibles va a estar cada vez más favorecido (legislativamente) en los próximos años.

Biocombustibles

Biocombustible Proceso Status Aplicación en

motores

Biometanol Termoquímico/

microbiano

Planta piloto Puro/mezcla

En producción de

MTBE (metil-tert-

butileter) y biodiésel

Bioetanol Microbiano Industrial Puro/mezcla

Biobutanol Microbiano Planta piloto Puro/mezcla

ETBE Químico/

microbiano

Industrial Mezcla

Biometano Microbiano Industrial Puro/mezcla

Biohidrógeno Microbiano Laboratorio Puro/producción

bioetanol

Biodiésel Físico/químico

(enzimático)

Industrial

(laboratorio)

Puro/mezcla

Antoni et al. (2007) Biofuels from microbes. Appl. Microbiol. Biotechnol. 77: 23-35.

BiocombustiblesTema 23Biotecnología medioambiental


Biomasa es el término para la materia orgánica viva o muerta: árboles, cosechas, residuos vegetales y de animales, lodos de aguas residuales, etc. La combustión directa de biomasa en forma de madera para obtener calor es algo que todos conocemos y que se viene utilizando desde hace miles de años. Para producir electricidad se necesita su combustión en quemadores para producir vapor que pueda mover turbinas. Sin embargo, quemar madera para obtener electricidad no es ventajoso porque los árboles no pueden reponerse a la misma velocidad que se cosechan y se termina generando más CO2. Se está estudiando el uso de residuos forestales, corteza del arroz, plantas de algodón viejas, etc, así como la producción de cosechas destinadas específicamente para producción de energía mediante su combustión (incluidos ciertos árboles de crecimiento muy rápido, y de los que se podría aprovechar parte sin tener que talarlo).

La digestión anaeróbica se ha desarrollado para el tratamiento de residuos orgánicos con alta BOD y produce biogás con un contenido del 50-75% de metano. En los países desarrollados este biogás se emplea para calentar y para hacer funcionar las bombas delos reactores anaeróbicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. En algunos casos el biogás de ha empleado para producir electricidad (lo que está favorecido en algunos países como en el reino Unido mediante exenciones fiscales). También vimos que la digestión anaerobia se empela en ciertas industrias como una doble vía para tratar sus residuos y obtener energía. Otras fuentes de biogás son los vertederos.

Combustión de biomasa

Producción de biogás

Producción de biogás



El biodiésel es un biocombustible líquido producido a partir de aceites vegetales y grasas animales. Las materias más utilizadas son semillas de plantas oleaginosas como la colza y el girasol (Europa), la soja (EEUU) y el coco (Filipinas) y frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). También pueden usarse aceites de fritura usados, por lo que en determinadas zonas existen servicios de recogida de dichos aceites. Es una materia prima barata y además se evitan los costes de su tratamiento como residuo. También estáestudiándose el uso de lípidos de origen microbiano: algas, bacterias y hongos.

Producción de biodiésel

Producción de biodiéselBiotecnología medioambiental Tema 23

Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y número de cetano (indicativo de la eficiencia energética de la reacción que se lleva a cabo en los motores de combustión interna) y presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiésel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si éstos se adaptan convenientemente. El ahorro en emisiones de gases invernadero es de al menos un 60% en comparación con el gasóleo. Además el biodiésel produce menos dióxido de azufre en la combustión y es fácilmente biodegradable.

Los aceites vegetales están compuestos principalmente por triglicéridos y tienen un uso directo mínimo en motores diésel por varios problemas:- su combustión da lugar a residuos como gomas y ceras que taponarían los conductos (eso puede evitarse desengomando y filtrando el aceite).- su alta viscosidad causa una mala atomización y, con ello, una mala combustión.- la polimerización de los componentes insaturados en la cámara de combustión causa depósitos en los cilindros.

Producción de biodiéselBiotecnología medioambiental Tema 23

Por eso los aceites vegetales (o grasas animales) son transformados en ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga. Los ésteres más empleados son los de metanol. Éstos se pueden obtener por diversas vías, pero la más utilizada es la reacción de transesterificación :


Reacción de transesterificación


En 2.005 la capacidad de producción era de 300.000 Tn aunque la producción fue de 150.000 Tn.

La producción de biocombustibles es de

importancia prioritaria ya que puede

favorecer la creación de empleo en

agricultura, fijar población en el ámbito

rural, potenciar el desarrollo industrial en

esas zonas y reducir los efectos de la

desertización gracias a la plantación de

cultivos energéticos.

Producción de biodiésel

en Europa


Producción de Microdiesel

FAEE: fatty acid ethyl ester


Biodiesel is an interesting alternative energy source and is used as substitute for petroleum-based diesel. Offering numerous environmental benefits, it has attracted broad public interest and is being produced in increasing amounts. However, a broader use of biodiesel and a more significant substitution of petroleum-based fuels in the future will only be possible if production processes are developed that are not solely based on oilseed crops but on more bulk plant materials like cellulose. Toward this goal, we report here on a novel approach to establish biotechnological production of biodiesel using metabolically engineered micro-organisms, which we refer to as Microdiesel. The early optimization studies described here revealed FAEE yields of up to 26% of the bacterial dry biomass. Although these yields are still far below the needs for an industrial process, this study has clearly proved the feasibility, in principle, of this novel approach. Therefore, the present study might open new avenues potentially enabling microbial production of fuel equivalents from cheap and readily available renewable bulk plant materials like sugars, starch, cellulose or hemicellulose in the future.

Producción de Microdiesel

Biotecnología medioambiental Tema 23Producción de bioetanol

La gasolina es una mezcla de alcanos (típicamente de 5 a 12 átomos de C), alquenos, cicloalcanos e hidrocarburos aromáticos. El calor de combustión del etanol es menor que el de la gasolina, lo cual conduce a una menor potencia y por ello el consumo de combustible aumenta entre un 15 y un 25%. Sin embargo puede considerarse un combustible muy limpio porque su combustión sólo genera CO2 y H2O (sin emisión de otros gases contaminantes como óxidos de S o de N).

Biotecnología medioambiental Tema 23Producción de bioetanol

En la actualidad el bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en materia orgánica vegetal por parte de microorganismos (levaduras o bacterias). En la gráfica que se muestra se puede ver el proceso completo de obtención de alcohol a partir de las principales materias primas que se utilizan para su producción:- Azúcares, procedentes de la caña de azúcar o de la remolacha principalmente.- Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. Se requiere la hidrólisis del almidón mediante altas temperaturas y el uso de enzimas (amilasas).- Biomasa (fermentación de azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa).


Producción de bioetanol



por Zymomonas mobilis

El gran objetivo actual es facilitar y hacer más rentable la conversión de residuos

lignocelulósicos en etanol. Las tecnologías convencionales liberan los azúcares de

estos residuos mediante un tratamiento termoquímico que combina altas

temperaturas y condiciones ácidas para la hidrólisis de celulosas y hemicelulosas.

La situación ideal será disponer de microorganismos capaces de convertir los

residuos lignocelulósicos en etanol en un proceso conocido como SSF: simultaneous

sacarificación y fermentación. Para ello:

a) Conseguir microorganismos capaces de fermentar tanto hexosas como pentosas

(las cuales, como xilosa y arabinosa están presentes en gran cantidad en las

hemicleulosas).

b) Conseguir organismos capaces de degradar eficientemente las celulosas y

hemicelulosas. En este sentido puede ser interesante emplear los celulosomas,

complejos multiproteicos de diversos tipos de celulasas ancladas en una proteína

que sirve de andamiaje y que tiene un dominio de unión a celulosa.




Principles of designer cellulosome action.

(a) Architecture of native versus designer cellulosomes. The cohesion–dockerin interaction is of uniform specificity in the native complex; the specificity is divergent in designercellulosomes to facilitate controlled incorporation of enzyme components. (b) Enhanced synergism of binary designercellulosomes, by combined targeting and enzyme proximity effects. Targeting of enzymes to the substrate through the cellulose-binding module (CBM) results in enhanced synergistic action (red trace), compared to the free enzymes (blue trace). Integration of the enzymes into a single complex generates an additional enhancement of synergy (cyan trace). (c) Enhanced cellulase-hemicellulase synergy of a ternary designer cellulosome on a crude cellulose substrate. Incorporation of an additional cellulase to a chimaericcomplex containing two processive enzymes (C.

cellulolyticum Cel48F and Cel9G) augments the activity of the complex on hatched straw. The different colored bars (pale blue, green, gray, red, yellow and violet) represent different C.

cellulolyticum cellulases (from left to right, Cel5A, Cel8C, Cel9E, Cel9M, Cel9G and Cel48F). The adjacent bar in each case represents the activity of the three free enzymes alone (without the scaffoldin). By including a xylanase (C.

thermocellum Xyn10Z) in the complex (dark blue bar), a dramatic increase in activity on hatched straw is observed.

Bayer et al. (2007) Curr. Opin. Biotechnol. 18:237-245.


Bayer et al. (2007) The potential of cellulases and cellulosomes for

cellulosic waste management. Curr. Opin. Biotechnol. 18:237-245.


Fig. 4. Electron transport to nitrogenase and hydrogenase in photosyntheticmicroorganisms. A common pathway occurs in cyanobacteria (to nitrogenase) and green algae hydrogenase. Sites of ATP synthesis and hydrolysis are shown by wavy lines with upward and downward arrows, respectively. Light-driven reactions are denoted by hv .

Producción biológica de H2

A diferencia de los combustibles fósiles, e

incluso del biodiésel, bioetanol o

combustión de biomasa, el hidrógeno sería

el combustible ideal debido a que su único

producto de combustión es el agua: no

añade gases de efecto invernadero.

Potencialmente el hidrógeno puede

emplearse tanto como combustible de

automoción como combustible para la

generación de electricidad.


Producción biológica de H2


Bioplásticos

PHB

Polietileno


Bioplásticos

Arrangement of a leaching pile and

reactions involved in the microbial

leaching of copper sulfide minerals to

yield Cu0 (copper metal). Reaction 1 is

primarily bacterial, while Reaction 2

occurs both biologically and chemically.

Reaction 3 is strictly chemical, but is

probably the most important reaction

in copper-leaching processes. Note how

it is essential for Reaction 3 to proceed

that the Fe2+ produced (from the

oxidation of sulfide in CuS to sulfate)

be oxidized back to Fe3+ by Thiobacillus

ferrooxidans and Leptospirillum

ferrooxidans (bottom of art).


Biolixiviación de cobre

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