Las fuentes de energía renovables se caracterizan por su baja densidad de energía en comparación con los combustibles fósiles y la electricidad suministrada por la red. Su disponibilidad discontinua, en algunos casos aleatoria, sumada a la dificultad técnica y el costo asociado al almacenamiento de energía, son las principales causas que limitan su difusión generalizada. El hidrógeno se viene definiendo desde hace medio siglo como el “vector energético del futuro”, sin embargo, su aplicación comercial sigue siendo obstaculizada por muchas dificultades técnicas. Las soluciones tecnológicas a todos estos problemas sólo pueden ser dos: o el desarrollo de biocombustibles realmente sostenibles que puedan sustituir a los fósiles en el corto plazo, o bien el desarrollo de una especie de nueva tecnología de punta para el almacenamiento de energía con alta densidad. Mientras que la primera alternativa se puede implementar en tiempos relativamente cortos, con modestas inversiones aunque con fuerte apoyo político, la segunda requiere de una investigación con resultados aún bastante inciertos y en caso de éxito, el cambio de la mayor parte de la infraestructura de distribución de energía actual. Las biotecnologías por lo tanto, jugarán un papel determinante en el desarrollo a corto plazo de soluciones intermedias que puedan utilizar las infraestructuras de distribución existentes, con densidades de energía comparables a las de los combustibles fósiles actuales, pero con emisiones de carbono asociadas bajas o, idealmente, nulas.La energía primaria para cualquier tentativo biotecnológico de producción masiva de biocombustibles es la luz del sol. Esto plantea inmediatamente el dilema “energía vs. alimentos”, que sin duda existe, pero que ha sido muy exagerado por algunos grupos políticos y ecologistas. De hecho, el cultivo del tabaco resta una gran cantidad de tierras a la producción de alimentos, pero nadie parece quejarse de eso. Algodón, lana y lino compiten por territorio y agua contra la agricultura alimentaria, pero nadie puede discutir que la gente necesita productos textiles para vestir tanto como alimento para comer o la energía para sus hogares.
Por el momento, no hay una alternativa a la conversión de energía solar mediante fotosíntesis para producir materias primas con fines tecnológicos, ya que los intentos de desarrollar una especie de “fotosíntesis artificial”, con un rendimiento máximo teórico del 10% han fracasado. También en la naturaleza existe una gran variabilidad en la eficiencia fotosintética de las diferentes especies, que por lo general va del 1% al 2%. Los “campeones” de la fotosíntesis natural son el jacinto de agua (Euphorbia crassipes), el bambú gigante (Phyllostachys pubescens), la caña de azúcar (Saccharum officinarum L), la lenteja de agua (Lemmna sp.), la palma aceitera (Elaeis guineensis) y algunas microalgas (bajo condiciones controladas de laboratorio). Ninguna de estas especies puede superar el 5%.
Figura 1. La electroquímica basada en la energia solar para la producción de hidrógeno o metanol con alta eficiencia. En futuro los nanodispositivos integrados podrían combinar una antena de captura de la luz con un centro de reacciones fotoquímicas que contenga un donor (D) y un aceptor (A) para producir una fotocorriente estable, que actuará sobre catalizadores de nueva concepción para producir rreacciones multielectrónicas. Tales hojas artificiales podrían estraer electrones del agua yci produr combustibiles a partir de protones o CO2. (fuente: Harnessing Solar Energy for the Production of Clean Fuel, SCIENCE POLICY BRIEFING , September 2008 )
Considerando las limitaciones anteriormente expuestas, plantearemos algunas de las áreas industriales en las cuales la biotecnología podría ayudar a traer al mercado biocombustibles y materias primas sostenibles en corto o medio plazo. Con el fin de resolver el dilema “alimentos versus energía”, un posible enfoque es el desarrollo de cultivos resistentes a la salinidad. La disponibilidad comercial de plantas capaces de crecer en tierras marginales, regadas con agua salobre o incluso de mar, resuelve dos problemas al mismo tiempo: la reducción de la demanda de agua dulce y el uso de terrenos que de otra manera serían desiertos, o improductivos para fines agrícolas tradicionales. En este sentido, las estrategias biotecnológicas pueden ser dos: la manipulación genética (colocación de los genes de plantas halófitas en plantas de cultivos comerciales) o bien la más simple selección y mejora genética de plantas xerófilas como el higo de tuna o nopal (Opuntia sp.) y el agave (Agave tequilana). Una filosofía bioingenieril muy interesante es la del proyecto de policultivos integrados “Green Desert”. El mismo consiste en una serie de tecnologías para utilizar el agua de mar transvasada directamente del atlántico a las shebqhas (depresiones) del Sahara por simple gravedad. El proyecto será capaz de producir, al mismo tiempo, carne de pescado, carne y cuero de cocodrilo, madera de mangle, verduras convencionales cultivadas en invernaderos que condensan el agua evaporada de la corriente principal salina y energía, que provendrá del biogas producido por la digestión de los los desechos orgánicos y de una planta hidroeléctrica colocada en el punto más bajo de las tuberías de agua. El lago hipersalino que se formará al final en la parte inferior de la depresión será capaz de soportar el crecimiento de microalgas como la Dunaliella salina, una materia prima valiosa para la industria nutracéutica.
Fig. 2: Esquema conceptual de la Biotecnópolis propuesta por el proyecto Green Desert.
© prof. Guillermo Garcia Reina, Centro de Biología Marina de Gran Canaria.
Una filosofía diferente para evitar el dilema “alimentos versus energía” es la de producir biocombustibles exclusivamente a partir de los residuos de la cadena de producción de alimentos. En este sentido, las tecnologías existentes ya se pueden considerar maduras: digestión anaerobia, producción de etanol a partir de residuos lignocelulósicos y biodiesel a partir de aceite vegetal usado y otras grasas residuales. Las variantes tecnológicas más prometedoras que aún deben ser desarrolladas son la producción de biohidrógeno por fermentación oscura, un proceso similar a la digestión anaeróbica, pero que produce una mezcla de H2 y O2 en lugar de biogás, y las pilas de combustible microbianas. Con la primera de dichas tecnología, el objetivo es producir hidrógeno y almacenarlo de alguna manera para su uso posterior, como un vector energético. En el segundo caso, el hidrógeno producido por las bacterias que degradan la materia orgánica (por lo general de aguas residuales), se consume en el biorreactor mismo, que está construido de tal modo que produce una diferencia de potencial entre dos electrodos.
Fig. 3. Esquema de una celda de combustible microbiana (MFC). © Pilus Energy Ltd.
Por otro lado, la sacarificación enzimática de residuos lignocelulósicos para producir bioetanol por fermentación convencional mediante levadura ya está en fase comercial, pero sus costes y la complejidad de las plantas limitan su amplia difusión. La biotecnología ayudará en el desarrollo de formas más baratas de producir las enzimas necesarias, o bien en el desarrollo de levaduras que toleren concentraciones mayores de alcohol o sustancias inhibidoras.
La fotofermentación es un camino alternativo para producir biohidrógeno. Algunos tipos particulares de cianobacterias son capaces de degradar los compuestos orgánicos (en general polisacáridos) y el agua, produciendo CO2 y H2. Esta tecnología está en fase experimental.
Otro campo de investigación prometedor es la producción de bioetanol por fermentación bacteriana de residuos. Existe un grupo de bacterias (Deinococcus sp.) capaces de degradar varios tipos de residuos orgánicos y producir etanol directamente como resultado de su actividad metabólica.
La producción de biobutanol y acetona a partir de almidón de maíz por fermentación con Clostridium acetobutylicum se conoce desde 1910. El uso de algas gigantes (Macrocystis pyrifera) en lugar de maíz fue desarrollado y puesto a punto por los norteamericanos e ingleses durante la Primera Guerra Mundial, pero cayó en el olvido con la era del petróleo barato. El butanol puede sustituir a la gasolina sin necesidad de ninguna modificación a los actuales motores de ciclo Otto y tiene algunas ventajas sobre el etanol o el combustible E80, como por ejemplo su volatilidad más baja en verano. El butanol y la acetona son también las principales materias primas para la preparación de disolventes industriales, pinturas, caucho sintético y plásticos. Por último, la ventaja principal de la fermentación mediante Clostridium acetobutylicum reside en que es capaz de fermentar directamente el almidón y el gas resultante de su respiración es una mezcla de CO2 y H2, mientras que las levaduras solo fermentan algunos tipos de azúcares y producen CO2. La principal limitación del proceso es que son necesarios almidón o azúcar (materias comestibles) como materias primas. La biotecnología puede ayudar de nuevo en la selección de cepas capaces de fermentar las aguas residuales cargadas de otros polisacáridos como las vinazas, melazas y el alpechín efluente de las almazaras.
