Medio Ambiente

Ciencia y Tecnología

Producción de bioenergía a partir de bacterias

09/09/2021 IIGE - Carlos Méndez, Técnico IIGE

Para nuestro país, la aplicación de microorganismos optimizados en la producción de bioenergía es viable, de acuerdo a los cambios alcanzados en la matriz energética.

Los microorganismos facilitan la conversión de biomasa en bioenergía (IIGE, 2020).

Los microorganismos facilitan la conversión de biomasa en bioenergía (IIGE, 2020).

Para nuestro país, la aplicación de microorganismos optimizados en la producción de bioenergía es viable, de acuerdo a los cambios alcanzados en la matriz energética.

Las plantas de bioelectricidad constituyen el 2.3 % de sector energético global. Para el 2035 se espera un incremento del 1.8 % en el uso de la bioenergía para la generación de electricidad mundial.

El diseño de microorganismos sintéticos para la producción de bioenergía, requiere el incremento en la eficiencia biosintética y altos rendimientos en la producción de biocombustibles.

Los modelos climáticos han demostrado que en escenarios de referencia, sin un control de la emisión antropogénica de gases de efecto invernadero, los niveles de dióxido de carbono atmosférico se elevarían a concentraciones significativas para el año 2100. Por lo tanto, se espera un incremento de más de 5oC en la temperatura global en los próximos años. Se ha reportado que en 2021 se han alcanzado los niveles más altos de dióxido de carbono atmosférico en relación a mediciones de hace 63 años. La implementación de medidas urgentes para la reducción de emisiones es esencial.

Las estrategias de mitigación dependen de, la configuración de los sistemas energéticos, recursos naturales y el acceso a las tecnologías de mitigación. Las alternativas prometedoras son el uso de material renovable, mejoras de eficiencia energética y la modificación de los comportamientos de consumo. Para la remoción de dióxido de carbono de la atmósfera se han propuesto tecnologías de emisión negativa, entre ellas la bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS, por sus siglas en inglés). En el uso de BECCS el dióxido de carbono es absorbido durante la fotosíntesis de la biomasa y es almacenado en la conversión de biomasa en biocombustibles.

Las plantas de bioelectricidad constituyen el 2.3 % de sector energético global. Para el 2035 se espera un incremento del 1.8 % en el uso de la bioenergía para la generación de electricidad mundial. Los países con mayor participación en bioelectricidad actualmente son Estados Unidos, Alemania y Brasil. Existen alrededor de 20 proyectos de BECCS, varios de ellos operan capturando CO2 en plantas de producción de etanol, gasificación, biogás y de residuos a energía.

La conversión efectiva de la biomasa a fuentes de energía, se realiza con esquemas de operación, simples y rentables, que pueden ser utilizados integrándose a procesos innovadores. Estos esquemas se han mejorado con el uso de microorganismos optimizados en procesos de fermentación como se observa en la figura que acompaña este artículo. Los microorganismos, mediante técnicas de ingeniería metabólica, alcanzan velocidades de reacciones bioquímicas y funciones metabólicas óptimas para producción máxima de biocombustibles.

El reciente desarrollo de la biología sintética en microorganismos, facilita una potencial manera de generar bioenergía sostenible. En el diseño e ingeniería de microorganismos de alto rendimiento para la producción de biocombustibles, ha sido necesario comprender la coordinación de vías metabólicas en varias condiciones ambientales, relacionadas a genes esenciales y no esenciales para la vida y red metabólica bacteriana.

El avance en técnicas de secuenciación, ha aportado con datos genómicos valiosos de la fisiología y metabolismo de los microorganismos. Esta información nos da una visión de la gran diversidad de microorganismos y sus bases moleculares para sus mecanismos de evolución en diferentes condiciones ambientales. El diseño de microorganismos sintéticos para la producción de bioenergía, requiere el incremento en la eficiencia biosintética y altos rendimientos en la producción de biocombustibles.

Por ejemplo, la producción de etanol con la levadura (Saccharomyces cerevisiae) modificada genéticamente (gen GPD2/GLT1), ha demostrado ser eficiente al reducir subproductos metabólicos, resistir a varios tipos de estrés, crecer en altas temperaturas y en tanques de fermentación abiertos. La bacteria Zymomona mobilis es eficiente en procesos de fermentación por su alta superficie específica celular. La aplicación de ingeniería metabólica en Z. mobilis  ha mejorado la producción de etanol, obteniéndose rendimientos de hasta un 90 %.

El biohidrógeno es un combustible limpio, durante su combustión no se generan problemas medioambientales. La producción de biohidrógeno con bacterias se ha realizado en base a la fuente de energía en procesos dependientes e independientes de la luz. Los procesos independientes de luz producen una mayor cantidad de hidrógeno, se requiere menores requisitos energéticos y una operación simple en relación a los procesos independientes. La bacteria E. Coli genéticamente modificada ha demostrado una alta producción volumétrica de hidrógeno.

Para la remediación de aguas residuales y producción de compuestos bioquímicos se utiliza como tecnología emergente la electrosíntesis, una herramienta que combina la electroquímica y microbiología. Los compuestos bioquímicos se obtienen a partir del dióxido de carbono y las aguas residuales son remediadas por la aplicación de celdas microbianas (MFCs, por sus siglas en inglés). La aplicación de MCFCs se ha extendido al empleo de condiciones de operación suaves en la productividad de bioenergía.

Las MCFCs, además se han utilizado en la producción de hidrógeno, en una versión adaptada a las celdas microbianas tradicionales. La selección adecuada de microorganismos permite usar un amplio rango de material orgánico para su conversión en hidrógeno. En las MFCs los microrganismos aceleran la producción de hidrógeno resolviendo las limitaciones energéticas del sistema.

Para nuestro país, la aplicación de microorganismos optimizados en la producción de bioenergía es viable, de acuerdo a los cambios alcanzados en la matriz energética. La producción de bioenergía a partir de microorganismos permite mejorar el rendimiento del producto final, la tolerancia a inhibidores y producir biocombustibles rentables a gran escala. Los microorganismos en un futuro cercano se implementarán en biorremediación, producción de bioenergía, fijación de dióxido de carbono como una ruta sostenible a una industria verde.

El Instituto de Investigación Geológico y Energético (IIGE), le invita a participar en una ENCUESTA DE PERCEPCIÓN.

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