Biocombustibles i recerca en plantes

Energia Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) - 1 -

BioetanolEl bioetanol és la molècula d’etanol que s’ha obtingut a partir dels sucres de la biomassa dels cultius vegetals, amb la finalitat de d’utilitzar-lo com a combustible. S’obté fonamentalment de dos tipus de biomassa: del sucre (sacarosa) emmagatze-mat a la canya de sucre o del midó de reserva present al gra de blat de moro. En el primer cas, l’etanol s’obté de la fermentació anaeròbica dels dos monosacàrids que formen la sacarosa -fructosa i glucosa-, mitjançant l’acció de llevats. Aquests microorganismes, per l’acció dels seus mecanismes enzimàtics, converteixen el sucre en alcohol.

Per a crear biomassa vegetal, les plantes necessi-ten, a més de llum, el diòxid de carboni (CO2) -que obtenen de l’atmosfera- i a partir del qual generen molècules orgàniques de mida més gran.Per això, s’esperaria que l’ús de les plantes amb fi-nalitats energètiques contribuís a reduir els nivells d’emissió de CO2 dels combustibles actuals.

Els biocomustibles són aquelles molècules (bioetanol, biobutanol, biodiésel, etc.) obtingudes a partir de sucres o greixos de les plantes i que s’utilitzen com a combustible. El midó i els sucres, com també els greixos, presents a la planta s’utilitzen com a matèria prima per a la seva transformació en bioetanol, o biodiésel.

Es consideren energies renovables o “verdes” pel fet que el CO2 generat en la seva combustió, a diferència dels combustibles derivats del petroli, procedeix del CO2 atmosfèric fixat per la fotosíntesi i novament reciclat per les plantes per al propi creixement i generació de nova biomassa. Per tant, s’espera que l’equilibri final d’emissions de CO2 des de la seva fixació fins al seu retorn a l’atmosfera sigui negatiu.

No obstant, existeixen altres factors que influeixen o redueixen el nivell de reci-clat del CO2. S’ha de considerar també el propi procés de sembra i recollida dels cultius, la conversió de la biomassa en biocombustibles o l’impacte de la conver-sió de terrenys salvatges en nous camps de cultiu destinats a aquest propòsit.

El bioetanol és la molècula d’etanol que s’ha obtingut a partir dels sucres de la biomassa dels cultius vegetals, amb la finalitat de d’utilitzar-lo com a com-bustible. S’obté fonamentalment de dos tipus de biomassa: del sucre (sacarosa) emmagatzemat a la canya de sucre o del midó de reserva present al gra de blat de moro. En el primer cas, l’etanol s’obté de la fermentació anaeròbica dels dos monosacàrids que formen la sacarosa -fructosa i glucosa-, mitjançant l’acció de llevats. Aquests microorganismes, per l’acció dels seus mecanismes enzimàtics, converteixen el sucre en alcohol.

Biodièsel

El seu producte prové de la conversió dels àcids triglicèrids de les plantes a par-tir de plantes oleaginoses com la colza, la soja, el girasol i la palma. L’obtenció de biodièsel s’inicia directament utilitzant l’oli emmagatzemat en aquestes plantes, el qual s’extreu mitjançant tractament amb solvents orgànics.

Energia Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) - 2 -

En el cas del midó, al ser una molècula més complexa, prèviament al procés de fermentació caldrà fer una hidròlisi, en contenidors dissenyats amb aquesta fi-nalitat, per produir els sucres senzills (amilosa i/o amilopectina) que s’utilitzaran per dur a terme la fermentació i la producció d’etanol. Actualment, els principals productors de bioetanol són el Brasil, que basa la producció ene els cultius de canya de sucre, i els Estats Units, que es basen en cultius de blat de moro.

BiobutanolLa molècula de biobutanol conté quatre àtoms de carboni en comptes dels dos que té l’etanol. El procés de conversió de la biomassa és el mateix que per al bioetanol, amb la diferència que el procés de fermentació s’utilitzen microorga-nismes diferents, en general, bacteris que són capaços de produir naturalment butanol.

Visió panoràmica d’un cultiu de canya de sucre a l’estat de Sao Paulo, Brasil. Font: Mario Roberto Duran Ortiz . Wikimedia Commons.

Aquest oli està compost de triacilglicèrids. És un tipus de molècula de caràcter lipídic format per una molècula de glicerol unida a tres molècules d’acids gras-sos que contenen cadenes d’àtoms de carboni. Aquestes cadenes són la matèria prima per a la producció de biodièsel. Els olis són sotmesos a una reacció de transesterificació, és a dir, la incubació d’aquest oli amb un alcohol lleuger (com el metanol) per produir metiléster, o més comunment conegut com a biodièsel, tot alliberant glicerol, component que pot tenir altres usos industrials.

- 3 - Energia Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC)

Acceptació socialLa possibilitat de cultivar plantes en terrenys marginals i que, per tant, no interfereixin amb els cultius alimentaris pot ser un criteri fona-mental per a l’acceptació social dels cultius amb finalitats energètiques.

Plantes: un cultiu ideal per a produir combustibles?Es pot pensar en un cultiu de plantes ideal per a finalitats energètiques? Doncs no prò-piament, perquè no hi hauria un únic cultiu que sigui útil per a tot; però sí que hi han una sèrie de requisits que fan que algunes espècies de plantes siguin més òptimes per a la producció de biocombustibles.

De manera general, han de ser plantes que tinguin la capacitat de generar la major quantitat de biomassa possible per unitat de superficie cultivada amb el mínim de recur-sos empleats. D’una banda, han de ser molt eficients en els seus mecanismes moleculars per a convertir l’energia solar en energia química i posterior producció de biomas-sa. I, d’altra banda, han de tenir la capacitat per produir gran quantitat de biomassa sen-se que això requereixi grans aports de nu-trients i de recursos hídrics, i que s’adaptin fàcilment al medi, disminuint l’ús d’adobs i pesticides.

L’adequació òptima de plantes energètiques serà diferent en les diferents regions del planeta, depe-nent de les condicions climàtiques, de la disponibilitat de camps de cultiu i de les infraestructures des-envolupades per aquests.

Les espècies del gèneres Miscanthus, que és originària del Japó, i Panicum, dels Estats Units, estan sent font de nombro-sos estudis perquè produeixen molta biomassa de manera eficient. Però requereixen molts recursos hídrics, la qual cosa fa que a Espanya, per exemple, només es pugui plantejar de cultivar a Galicia.

Miscanthus synensis (Japó). Font: M. Miya. Wikimedia Commons.

Noves fonts de biocombustibles

La ràpida implantació de l’ús de plantes per a la producció de biocombustibles s’explica per la relativa fàcil conversió de la materia prima vegetal (sucres i greixos) en biocombustibles. No obstant, utilitzar aquests compostos únicament amb finali-tats energètiques implica que es desaprofiti la majoria de la biomassa vegetal i que s’usin grans extensions de cultiu, en un context saturat en molts llocs del planeta. A més, planteja problemes de carácter social i ambiental: aquests cultius poden originar una competència amb la producció d’aliments que faria encarir el preu d’aliments bàsics –el preu de biocombustible ha de ser compatibles amb els dels derivats del petroli-. També pot provocar una pressió per a la posada en cultius de sòls silvestres.

Per evitar la proliferació de camps de cultiu amb finalitats energètiques en regions selvàtiques del planeta i/o el desplaçament dels cultius destinats a l’alimentació, la majoria d’estudis realitzats apunten a una progressiva substitució dels cultius actuals (canya de sucre, blat de moro) per nous cultius de plantes que bé aprofitin tota la planta, bé es basin en noves espècies que només tinguin interès per a la producció de biocombustibles.

Energia Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) - 4 -

Biomassa lignocel·lulòsica del blat de moro

Aprofitar els sucres emmagatzemats a la paret cel·lular de les plantes o modificar els greixos amb eines biotecnològiques poden ser estratègies per aprofitar la ma-jor part de la biomassa de la planta i/o produir combustibles amb eficiència.

El blat de moro, un dels cultius importants del món, també s’ha utilitzat com a font per a produir bioeta-nol, amb l’objectiu de substituir els combustibles fòs-sils. Inicialment, el bioetanol s’ha produït a partir de sucres acumulats en les llavors (bioetanol de primera generació), i per tant amb una competència directa amb els camps tradicionalment dedicats a la produc-ció d’aliments i de menjar.

Planta de blat de moro (Zea mays) amb les pa-notxes en formació. Font: burgkirsch. Wikimedia Commons.

Biomassa lignocel·lulòsica i el Centre de Recerca en Agrigenòmica

(CSIC-IRTA-UAB-UB)

El grup de recerca de Bioenginyeria de la bio-massa lignocel·lulòsica del blat de moro del Centre de Recerca en Agrigenòmica (CSIC-IRTA-UAB-UB) estan dirigits a comprendre com la modificació de gens de lignina afecta el contingut i la composició de la lignina i po-límers polisacàrids dins de les parets cel·lulars de blat de moro. Aquest coneixement és es-sencial per continuar trobar noves solucions biotecnològiques que portin a noves línies de blat de moro amb millors valors nutricionals i energètics de la biomassa lignocel·lulòsica, i augmentar tant com sigui possible el contingut polisacàrids disponible per a la producció in-dustrials de bioetanol.

Biotecnologia dels triacilglicèrids

Una altra línia de recerca per tal de millorar l’eficiència dels cultius de plantes per a la producció de biocombustibles està centrada en la modificació biotecno-lògica de les plantes oleaginoses que s’utilitzen per a la producció de biodièsel. En aquest sentit, es busca produir plantes amb una biomassa enriquida en tria-cilglicèrdis (TAG). En aquest cas, és necessari major coneixement de les xarxes metabòliques capaces de sintetitzar els diferents tipus de TAG produïts per les plantes oleaginoses.

- 5 - Energia Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC)

Una possible solució per evitar aquest concurs podria ser l'ús del rostoll de blat de moro (biomassa lignocel·lulòsica). Malgrat la gran quantitat de cel·lulosa acumulada en el rostoll, fins ara s’havia descartat per la seva interacció amb el polímer de la lignina. La interacció de la lignina i cel·lulosa implica que un percentatge important d'aquests polisacàrids no podia ser fàcilment extret per a la producció de bioeta-nol cel·lulòsic (bioetanol generació de secundària). La lignina és, doncs, el compo-nent que afecta més negativament la producció de bioetanol cel·lulòsic a partir de la biomassa lignocel·lulòsica.

Representació esquemàtica de les relacions entre els prin-cipals constituients de la paret cel·lular vegetal (cel·lulosa, lignina i hemicel·lulosa). Font: José del Río. IRNAS-CSIC.

Recerca sobre el metabolisme de plantes. Font: CRAG (CSIC-IRTA-UAB_UB)

Per saber més coses, us recomanem la publicació:Puigdomènech, P. i Caparrós, D. La energía de los vegetales. Fundació Gas Natu-

ral. Barcelona, 2011.

Si desitgeu informació sobre les línies de recerca del Centre de Recerca en Agrigenòmica (CSIC-IRTA-UAB-UB), visiteu el web:www.cragenomica.es

Si desitgeu contactar amb algun investigador, contacteu amb nosaltres a través del lloc web de TalentLab:www.talentlab.csic.es/recursos

- 6 - Energia Viva: Biocombustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC)