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Siempre negativo, nunca positivo

A cualquier científico le gusta que le pregunten con qué está jugando. Por lo tanto, le gustará responder, siempre y cuando un molesto compromiso de confidencialidad no se lo impida. Y, además, le gustará que su receptor le entienda. Como consecuencia, numerosos investigadores en todo el mundo se dan el gustazo de divulgar sus actividades o descubrimientos. Algunos incluso cobran por ello.

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Excepto si estás desarrollando una máquina del tiempo. No friki. Phuwan.

El grupo del que formo parte lleva dos años y medio cationizando celulosa. Y no solamente celulosa pura, de la que se vende como un polvo blanco o como un montón de fibras blancas a laboratorios e industrias. Eso es jugar en modo Easy. También cationizamos residuos agrícolas después de quitarles la mayor parte de su lignina, que generalmente complica las cosas. Con las fibras cationizadas hacemos papel e intentamos convencer al MINECO, a la industria papelera y a los editores de revistas científicas de que todo esto sirve para algo.

No puedo decir qué es la cationización de celulosa sin decir que las fibras celulósicas (sin modificar), cuando están suspendidas en agua, presentan una carga (eléctrica) negativa.

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Las alternativas de la agricultura ecológica

Esta entrada es relativamente corta, ya que no soy precisamente un experto en temas agrícolas, pese a incluir la revalorización de los residuos de cultivos como una parte fundamental de mi futura tesis doctoral. De todos modos, creo que mis futuras entradas deberán asemejarse más a la que está usted leyendo que a las anteriores, al menos si deseo mantener una frecuencia de publicación aceptable. Al no estar ducho en lo relativo a plantaciones, me he forzado a informarme para escribir esta entrada. Estoy seguro que de esta forma me hago un favor a mí mismo. A menudo se piensa que ser una persona comprometida con la protección ambiental y las generaciones futuras, una persona que piensa que el desarrollo actual no es sostenible y debería serlo, implica seguir un credo determinado, una única doctrina. A saber: favorecer el uso de las energías renovables, reducir la emisión de gases de efecto invernadero, mantener la biodiversidad de los ecosistemas en la medida de lo posible, etc. Seguramente, esos ejemplos sí son puntos en los que todos o casi todos estamos de acuerdo. No se me ocurre cómo alguien podría decir, coherentemente, que apuesta por el Desarrollo Sostenible sin estar a favor de las energías renovables, desde luego. Pero hay casos con mucha más controversia, casos que no sabríamos situar en el lado verde o en el lado… negro, digamos. La encrucijada nuclear es una entrada en la que traté precisamente este problema: es más verde que los combustibles fósiles, pero no es renovable, pero es eficiente, pero los residuos… El movimiento ecologista global parece apostar, de forma mayoritaria, por la agricultura orgánica o ecológica. Las características fundamentales de este tipo de agricultura son: ausencia de organismos modificados genéticamente (OMG), ausencia de fertilizantes, ausencia de pesticidas. Los defensores aducen múltiples razones para ello: se protege el suelo, se evita la contaminación, se mantiene una mayor biodiversidad, se reduce el riesgo de toxicidad y accidentes. midnight sun farm

Midnight Sun Farm, en Illinois. Propiedad de N. Choate-Batchelder y B. Stark.

  Pero, por otro lado, se ocupa una mayor superficie de tierra por unidad de comida producida. Y esto, siguiendo a los detractores, implica una mayor huella ecológica, menos beneficios en el sector primario y pérdida de competitividad. Resulta también que, como no podría ocurrir de otro modo con el pensamiento humano, hay infinidad de posiciones intermedias. Uno puede estar a favor del uso de OGM y no de los fertilizantes. Otro puede estar de acuerdo con el uso de fertilizantes y pesticidas, siempre y cuando cumplan ciertos requisitos, pero reprobar la reutilización de OMG. Seguir leyendo Las alternativas de la agricultura ecológica

La biomasa vegetal como sustituto del petróleo

Si pregunto por las sustancias más abundantes en la corteza de este planeta, seguramente me responderán con una serie de nombres de compuestos inorgánicos: dióxido de silicio, óxidos de hierro y de aluminio, agua, cloruro de sodio, óxidos y sales de calcio…

Los compuestos inorgánicos tienen aplicaciones esenciales para nuestra vida; qué duda cabe. No podríamos vivir sin agua o sin iones fundamentales como el ion sodio y el ion potasio. Y, además de nuestras necesidades fisiológicas, el mundo actual no sería lo mismo sin el amoniaco o sin el ácido sulfúrico, compuestos de producción masiva, fundamentales en el desarrollo técnico, económico y demográfico en la Edad Contemporánea. Son inorgánicos el vidrio, el cemento, el yeso, el acero y otros de los materiales más comúnmente utilizados.

Evidentemente, los compuestos inorgánicos no valen para todo. No conozco ningún ser vivo que pueda alimentarse exclusivamente de sales minerales. He oído hablar de microorganismos anaerobios que no necesitan O2 (bacterias metanogénicas, por ejemplo), pero no he tenido el placer de conocer a alguno que pueda vivir sin una fuente de carbono. Y estoy hablando de los compuestos orgánicos.

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De la biomasa lignocelulósica hacia el etanol

La obtención de etanol a partir de biomasa lignocelulósica tiene, al menos, cuatro etapas fundamentales: pretratamiento, sacarificación, fermentación y separación. La fermentación y la separación selectiva de etanol son comunes a los procesos que parten del almidón, pero obtener azúcares de la celulosa con buen rendimiento económico es un desafío bastante mayor que obtener azúcar de una patata.

 

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Planta de etanol y azúcar en Brasil. El principal residuo de la caña de azúcar es el bagazo. Fotografía: Mariordo.

 

En la biomasa vegetal podremos encontrar, fundamentalmente, α-celulosa, hemicelulosa, lignina, cenizas, sales y sílice.

La α-celulosa está constituida por monómeros de celobiosa unidos por enlaces β–glucosídicos. A su vez, la celobiosa es un disacárido que consta de dos moléculas de glucosa. La hemicelulosa, por otra parte, tiene una estructura más compleja, encontrando hexosas y pentosas sin un orden definido, además de múltiples ramificaciones. Su aprovechamiento para producir azúcares sencillos y fermentables, no obstante, es igualmente posible: arabinosas, xilosas, además de, también aquí glucosas. Si bien el producto principal de la sacarificación es una mezcla de celobiosa, glucosa, xilosa y, en menor medida, otros monosacáridos y disacáridos, también se da lugar a productos que son fruto de una hidrólisis incompleta: celotriosas, celotetrosas, etc.

Los demás componentes, lamentablemente, no resultan en azúcares fermentables.

El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica se alza como una etapa importantísima y que, con razón, suscita muchísimo interés en la investigación. Los métodos seguidos deben separar o degradar los compuestos no deseados, pero sin degradar los carbohidratos a compuestos no fermentables o, peor aún, tóxicos para los microorganismos alcoholizantes. Y, además, deben llevarse bien con el medio ambiente: ¿qué sentido tendría fabricar etanol con un fin medioambiental, si en el proceso contaminas más que produciendo gasolina? Esto invalida opciones de tratamiento con compuestos de azufre o de cloro que generen mercaptanos o efluentes con compuestos halogenados. Algunas posibilidades son: agua muy caliente, ácidos muy diluidos, amoniaco concentrado, etanol, etc.

Se entiende por sacarificación el proceso consistente en obtener oligosacáridos a partir de polisacáridos, fundamentalmente la celulosa. En la obtención de bioetanol desde celulosa, la sacarificación es la etapa previa a la fermentación: su objetivo es obtener azúcares fermentables. La obtención de biocombustibles no es la única utilización posible de esos oligosacáridos: también pueden ser empleados en la preparación de disolventes, en fármacos y productos alimenticios, y en la manufactura de bioplásticos, como el ácido poliláctico.

 

Henri Braconnot, químico, farmacéutico y botánico francés. La sacarificación de materiales lignocelulósicos no fue su único descubrimiento.

El primer proceso conocido de sacarificación de celulosa data de 1819, y fue llevado a cabo por H. Braconnot. Desde entonces, se han propuesto y ensayado centenares de métodos de hidrólisis de celulosa, empleando toda clase de agentes: ácidos, álcalis, oxidantes, microorganismos, enzimas, catalizadores heterogéneos, etc. Sin embargo, muchos procesos que obtienen grandes resultados a escala de laboratorio, cuando se ensayan a escala industrial, dan lugar a rendimientos muy inferiores. Actualmente, hay dos clases de métodos que destacan por distinto motivo:

  • los tradicionales procesos de sacarificación con ácidos, con un recorrido y una vigencia de nada menos que 195 años, aún relevantes en la actualidad;
  • los más novedosos bioprocesos de sacarificación con enzimas y/o con microorganismos, que en los últimos años están centrando el interés de investigadores y productores de bioetanol.

Una vez hemos conseguido tener una gran cantidad de pequeños sacáridos, sobre todo glucosa, en el medio de reacción, entra en juego el mejor amigo del hombre. No, el mejor amigo del hombre no es el perro. Nuestros mejores amigos son los hongos (levaduras, concretamente) y las bacterias que, en su proceso metabólico, toman azúcares como sustrato y desprenden etanol. Por ejemplo, la levadura S. cerevisiae. Así ha sido desde que el hombre descubrió cómo hacer cerveza y distintos tipos de bebidas alcohólicas. En la actualidad, claro está, el alcohol etílico tiene más fines, y uno de ellos es proporcionar energía de forma mucho más limpia que un combustible fósil.

 

S. cerivisiae, a sus anchas en su medio de cultivo.

Bioetanol. ¿De dónde?

El bioetanol es aquel etanol que:

  • se obtiene a partir de biomasa;
  • se emplea como combustible (no para bebida, limpieza, desinfección, colonia, excipiente de lociones, etc.).

La obtención de etanol a partir de biomasa requiere la fermentación de azúcares sencillos, fundamentalmente glucosa, que a su vez se puede obtener por hidrólisis del almidón, de la celulosa o, en el caso más sencillo, de la sacarosa en melazas y jugo de caña de azúcar. La hidrólisis de la sacarosa resulta en dos isómeros: glucosa y fructosa. La fermentación de los mismos con un microorganismo adecuado, como S. cerevisae, produce etanol y CO2.

Partiendo de polímeros, para obtener azúcares sencillos que serán fermentados a etanol, es necesario romper los enlaces que mantienen unidos los monómeros. Teóricamente, es decir, si el rendimiento es del 100%, se obtienen 111 g de glucosa por cada 100 g de polímero.

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Por qué los biocombustibles

Se entiende por biocombustible aquel combustible que es obtenido a partir de biomasa, principalmente partes de plantas, aceites vegetales, estiércol y residuos de agricultura. El uso de biocombustibles ha atraído el interés de investigadores, fabricantes de automóviles, compañías de refinería y/o energéticas, gobiernos, asociaciones ecologistas y organismos internacionales. La atención que reciben los biocombustibles tiene fundamentalmente cinco razones.

 

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Cultivo energético de colza en Bavenhousen, Alemania. Fotografía: Daniel Schwen.

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