Introducción

En la actualidad es imprescindible orientar sabiamente el rumbo del conocimiento, ya que el vertiginoso avance de la ciencia y la tecnología ha colocado a la humanidad en la cúspide del bien y del mal (Valdés et al., 2004). Es preciso conocer mejor los procesos técnicos, su impacto y sus interrelaciones con la evolución económica para que tanto los individuos como los gobiernos pueden comprender e influir en el progreso técnico y encauzarlo (UNESCO, 1977). La ciencia vinculada a los problemas sociales y convertida en una fuerza productiva basada en la generación de conocimientos para la búsqueda de soluciones a estos problemas, será la base que pueda asegurar un desarrollo sostenible a mediano plazo y pueda además resolver la problemática del desarrollo (Concepción y González, 2013). La ciencia, y las producciones de la ciencia, deben ocupar algún día el primer lugar de la economía nacional (Castro, 1993).

El presente trabajo parte de los desechos lignocelulósicos que se producen durante la actividad agrícola. Es necesario recordar que la biomasa constituye la materia prima más cuantiosa del planeta. Se considera que desempeña el mismo papel que el petróleo lo hizo en el siglo XX (Sims, 2010), pero pese a que se han realizado varios estudios sobre su manejo aún no se encuentra una aplicación práctica significativa (Mesa et al., 2009).

La biomasa vegetal representa una de las fuentes más importantes sostenibles de combustibles orgánicos, productos químicos y materiales (Lynd et al., 1999). Este es un subproducto de enorme disponibilidad que se genera a partir de diferentes fuentes, entre ellas las agroindustriales (Alvarez et al., 2012). La utilización de la biomasa celulósica sigue siendo un tema de interés mundial en vista del agotamiento rápido del petróleo y de las altas posibilidades químicas energéticas de esta materia prima (Nwodo-Chinedu y Okochi, 2011).

La bioconversión de la lignocelulosa se está estudiando como un medio para aliviar la escasez de los alimentos, la energía y la reducción de la contaminación (Nwodo-Chinedu et al., 2007). Sin embargo, la conversión de biomasa basada solo en la utilización de celulosa tiene pocas oportunidades de volverse económicamente atractiva (Ghose y Bisaria, 1987).

La hidrólisis enzimática de la celulosa está basada en la habilidad de hongos y bacterias de producir un set de enzimas extracelulares capaces de degradar las moléculas de D-glucosa (Albernas Carvajal et al., 2014) que componen la estructura de la celulosa. La hidrólisis enzimática va ganando terreno (Morales et al., 2014), debido a que la hidrólisis ácida empleada para la obtención de azúcares fermentables ha generado algunos problemas en cuanto a costo y rendimiento (Sarouh et al., 2005).

Aunque un gran número de microorganismos (hongos, bacterias y actinomicetos) son capaces de degradar la celulosa, como los microhongos celulolíticos pertenecientes a los géneros Trichoderma y Aspergillus que son productores de celulasas notables (De Vries y Viser, 2005), lastimosamente sólo unos pocos de ellos producen cantidades significativas de fracciones de enzimas libres capaces de la hidrólisis completa de la celulosa in vitro. La búsqueda continua de organismos altamente secretadores de enzimas celulolíticas para optimizar la producción (De Vries y Viser, 2005) es una prioridad de la Biotecnología industrial aplicada a la obtención de azúcares reductores. La comprensión de estos microorganismos no sólo juega un papel muy importante por sus aplicaciones industriales sino en el proceso de reciclaje de varios productos como la celulosa en la biosfera (Han et al., 2009).

En las diferentes reacciones químicas que se producen para descomponer los desechos lignocelulósicos, se generan una serie de azúcares y otros componentes cuya fermentación presenta ciertas dificultades, y se podrían necesitar microorganismos modificados genéticamente o mutados (Mesa et al., 2010). Al respecto, del análisis de la diversidad genómica de algunos microorganismos empleados para la obtención de celulasas, existe una pobre presencia de genes codificadores de actividad celulolítica; un ejemplo lo constituye el genoma de T. reesei, que ha revelado un repertorio inesperadamente bajo de genes de celulasas y hemicelulasas (Foreman, 2003). Además, la capacidad celulolítica sobre residuos lignocelulósicos de la mayoría de microorganismos, por ejemplo, de hongos en estado natural, no se expresa en condiciones de laboratorio (Herrera García, 2011). Esto, a su vez, repercute en la carencia de biocatalizadores eficientes tolerables a las condiciones de laboratorio e industriales para la producción de enzimas de interés, pues las enzimas muestran una baja actividad y, por lo tanto, son consumidas de forma elevada (Barriga, 2011).

Estas características complican la tarea investigativa para algunos científicos y/o productores de bioetanol y derivados de éste, debido a que frecuentemente emplean ejemplares clásicos de celulasas de origen microbiano, descritas en numerosos trabajos publicados en la segunda mitad del siglo XX, que no son tan eficientes (Gusakov, 2011). Por estas razones, en los últimos años, los investigadores y, sobre todo, las empresas productoras de enzimas han creado organismos recombinantes para la producción heteróloga de celulasas o han mejorado mediante mutaciones los organismos preexistentes.

También se realizan investigaciones para buscar nuevas enzimas, más eficientes y menos costosas en la microbiota simbionte de animales como la lombriz de tierra (Salvador et al., 2011, 2012), debido a que algunos seres vivientes son reconocidos por tener en el interior de su cuerpo microorganismos degradadores de un sinnúmero de sustancias con las que éstos entran en contacto de acuerdo al nicho ecológico que realizan; esto hace que ellos sean considerados biorreactores naturales, tal es el caso de las termitas, animales rumiantes, cangrejos de río, y otros. Por ejemplo, las lombrices de tierra son conocidas por ser vectores para la dispersión de microorganismos del suelo que producen enzimas como las amilasas, lipasas, proteasas, etc., y fermentadores para ciertos géneros de microorganismos (Lynd et al., 2002). Algunas especies de lombriz pueden participar en la descomposición de lignina y en los procesos de humificación con las peroxidasas (Brown et al., 2000), lo cual resulta interesante por la gran dificultad con la que se descomponen los xilanos. Es importante señalar que el intestino de este animal tiene mecanismos de regulación de temperatura, de humedad, alta concentración de moco que puede facilitar la degradación; además, el estómago es un molino coloidal en el cual el alimento es transformado en pequeñas partículas de 2 mm, lo que da una mejor superficie para el trabajo que hacen los microorganismos. Se ha constatado una presencia elevada de enzimas nitrato reductasas, celobiasas, endoglucanasas fosfatasas ácidas en los intestinos de lombriz. Modelos animales como éste podrían ayudar a vislumbrar nuevas alternativas de degradación de compuestos a partir de procesos naturales eficientes.

También las herramientas modernas de metagenómica, interactoma, metabolómica y pirosecuenciación logran estudiar los diferentes genomas degradadores, existentes en los intestinos del animal, que pueden ser altamente eficientes en la hidrólisis enzimática; el coste económico de éstas tecnologías es bastante alto, sin embargo.

Las enzimas para degradar la biomasa celulósica son compuestos degradadores. Pertenecen a las proteínas de forma globular, funcionan como unidades funcionales del metabolismo celular y actúan acelerando reacciones químicas biológicas como reguladoras de rutas metabólicas. Para actuar necesitan pH y temperatura óptimos. Existen enzimas sintéticas y también enzimas de origen microbiológico. El presente trabajo estudia las de origen microbiológico que son capaces de degradar celulosa mediante hidrólisis.

Para la hidrólisis enzimática completa es necesaria la actividad de tres enzimas celulolíticas; endoglucanasas y exoglucanasas suplementadas con ß-glucosidasas cuyo objetivo es asegurar la ruptura de las moléculas de celobiosa generadas por la acción de las otras enzimas (Breuil et al., 1990). Al respecto, es difícil que un solo microorganismo de forma natural pueda producir las enzimas celulolíticas necesarias para una degradación exitosa. Es importante la acción sinérgica de varios microorganismos (Ryu y Mandels, 1980). Esto también ha conllevado a la necesidad de crear microorganismos modificados genéticamente (Mesa et al., 2010), aprovechando herramientas tecnológicas que se conocieron en la década de los 70, con el descubrimiento realizado por Stanley Cohen y Herbert Bayer que emplean el aislamiento e inserción de un genoma a otro (Antunes et al., 2006). Entonces se reprograman organismos productores de enzimas celulolíticas para obtener cantidades altas de las enzimas en estudio.

Pese a que con el advenimiento de la genética moderna los costos de producción de azúcares a partir de estas fracciones recalcitrantes se han reducido significativamente (Adsul et al., 2004; Kovacs et al., 2009), aún el proceso no es eficiente a escala industrial.

Para reducir el coste de las enzimas se pueden investigar nuevas fuentes de enzimas y/o se pueden reciclar las enzimas utilizando su relativa alta estabilidad y su alta afinidad por la celulosa. Al respecto, a nivel mundial e Iberoamericano, representando el 50% y 53% bajo el código de clasificación C12N, relacionado al estudio de microorganismos o enzimas, se encuentran clasificadas más de la mitad de patentes (Red de Indicadores de Ciencia y Tecnología, 2015), como se observa en el figura 1.

Figura 1
Principales códigos de clasificación (4 dígitos) en el mundo e Iberoamérica para Biotecnología (acumulado 2007-2013)

Resulta prioritario estudiar la interacción de las enzimas que degraden lignina (lacasas), celulosa (celulasas y xilanasas) para mejorar el proceso de degradación biomásica.

Para convertir los desechos lignocelulósicos a etanol y otros coproductos, es preciso transformar la estructura polimérica en azúcares sencillos, mediante un pretratamiento de la biomasa lignocelulósica. Además, para asegurar un aprovechamiento integral de los materiales resultantes es necesario utilizar por separado las tres fracciones principales del bagazo (celulosa, hemicelulosa y lignina). En este contexto surge el concepto de fraccionamiento de la biomasa, que como consecuencia deriva en el novedoso campo de la biorrefinería; un ejemplo constituye no solamente la obtención de etanol a partir de glucosa y celobiosa, sino de ácido cítrico, ácido láctico, isobutanol, etc. También mediante conversión catalítica de la fracción hemicelulósica se obtienen pentosas, hexosas y ácidos urónicos, ácido acético, hidroximetilfurfural; de las pentosas se obtienen xilanos, ácido fórmico, furfural, etc. (Mesa et al., 2010).

Metodología y resultados

El presente estudio nace del problema de la carencia de una tecnología asequible, rentable y limpia para el aprovechamiento de residuos lignocelulósicos en el proceso de obtención de etanol y derivados de los procesos fermentativos de los diferentes azúcares y subproductos que se obtienen a partir de la degradación de la celulosa. En este contexto, el empleo de crudos enzimáticos podría definir una disminución del coste de la tecnología y un incremento de los productos que se desean obtener.

El objetivo es la búsqueda de nuevos crudos enzimáticos de origen microbiológico, que permitan aprovechar la capacidad celulolítica de hongos y bacterias existentes en material en degradación de bosques y residuos agrícolas, en una Biorrefinería. En este proceso, la caracterización de las fuentes enzimáticas, su optimización en el proceso de hidrólisis y la recirculación de las mismas es un objetivo prioritario, debido además a que la biomasa lignocelulósica también tiene enzimas (Mussato y Teixeira, 2010). En este ámbito científico y tecnológico se generan nuevos crudos enzimáticos a partir de técnicas biotecnológicas tradicionales y modernas y se genera información sobre los mecanismos de acción de las enzimas estudiadas.

Para complementar el enfoque tecnológico se recomienda estudiar factores como velocidad inicial, características estructurales como el área superficial, el grado de acumulación de agua, el orden molecular, la estructura capilar de las fibras de celulosa, el contenido de materiales asociados y la cristalinidad (Herrera García, 2011; Ramos et al., 1992) También han sido estudiados mecanismos de recirculación de las enzimas en los procesos de hidrólisis enzimática y fermentación.

Es frecuente que la hidrólisis enzimática ya no vaya separada de la fermentación (HFS), sino que se realice en un solo esquema, que consiste en la sacarificación y fermentación simultáneas (SFS) del residuo (Ballesteros et al., 2004). El proceso a emplear está en dependencia de los biocatalizadores y/o enzimas que se emplearán. En estos procesos se forma una mezcla sólido-líquido y las enzimas que se encuentran en la fase líquida pueden recircularse añadiendo sustrato fresco; a las enzimas que se encuentran en la fase sólida se les añade soluciones tamponadas para su recuperación (Barriga, 2011). La recirculación puede optimizar la fermentación y reducir los costes de la producción de la enzima, que es uno de los objetivos de la investigación básica para aplicaciones industriales (Hoa et al., 2010).

La recirculación de las enzimas es otra alternativa para contribuir a solucionar el problema del alto coste de las enzimas. Para recircular se necesita conocer parámetros específicos como: factores de inhibición del producto, desactivación térmica, mecánica y depleción del componente celulósico específico por adsorción con pérdida de energía cinética, etc. (Barriga, 2011). Estos parámetros podrían ayudar a mejorar la eficiencia de la hidrólisis, que decrece gradualmente en cada paso de reciclado (Mussato y Teixeira, 2010).

La tecnología a emplear en el presente estudio incluye un estudio de vigilancia tecnológica. Además, cuenta con la modelación matemática de los balances de masa y energía para predecir la producción de los crudos enzimáticos con simuladores como Superpro Designer, para determinar las mejores condiciones de obtención del producto con capacidad degradadora para posterior verificación experimental. El establecimiento de una propuesta tecnológica y experimental se basa en los diseños de Plackett-Burman y en el programa Design Expert para comprender los parámetros que afectan la producción enzimática, los tipos de enzimas producidas y la recirculación de las mismas.

Los impactos que generará la propuesta tecnológica no son solamente del orden científico-técnico como se ha explicado, sino económico, social, productivo y ambiental. Ambientalmente, la materia prima empleada no compite con biomasa alimenticia. Además de reducir el volumen de desecho en un 40%, los problemas de tratamiento, gestión y riesgo de desechos urbanos, agrícolas y forestales mejoran. La propuesta contribuye a prevenir el cambio climático mundial, mitigar los gases de efecto invernadero, disminuir los lixiviados que contaminan las aguas subterráneas, entre otros efectos. Previene los graves problemas del deterioro del suelo consecuencia de la deforestación, limitando los avances de la frontera ganadera y agrícola que tanto ha simplificado los ecosistemas (Funes, 2005), lo que a su vez influye en la reducción de precipitaciones y en la desaparición de numerosas especies vegetales y animales. Esto ayuda a que se cumpla el Objetivo 12 de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, que es el de Garantizar Modalidades de Consumo y Producción Sostenibles (ONU, 2016).

A nivel social, el empleo de materiales reciclados, que nos permitan tener una vida dentro de lo que se considera sostenible, sustentable para crear ciudades resilientes que puedan retroalimentarse y autoabastecerse, es un tema que ha sido debatido y propuesto en la reunión de Hábitat III (ONU, 2017). Además, permite la generación de nuevos productos y materias primas.

De ser implementados en Ecuador los resultados de la presente propuesta, se promovería el crecimiento económico sostenido, inclusivo y sostenible en el que se incrementa el trabajo mediante el empleo pleno y productivo y el trabajo decente para todos, que también es objetivo de las Naciones Unidas para el Desarrollo Sostenible.

A nivel productivo, el manejo óptimo de desechos, que puede converger con otras industrias, impulsará indirectamente el desarrollo de la matriz productiva y energética de nuestros países, lo que a nivel económico disminuye el coste de producción y por lo tanto incrementa la rentabilidad de la inversión.

El presente trabajo también contribuye a favorecer las políticas públicas a favor del reciclado y el uso de materiales reciclados por parte de las diferentes empresas productivas.

Conclusiones

El presente estudio responde a la necesidad de tecnología accesible, rentable y limpia para el aprovechamiento de residuos lignocelulósicos en el proceso de obtención de etanol y derivados de los procesos fermentativos de los diferentes azúcares y subproductos que se obtienen a partir de la degradación de la celulosa. El empleo de crudos enzimáticos podría efectivamente disminuir del coste de la tecnología y aumentar el volumen de los productos que se deseen obtener.

El establecimiento de una tecnología enzimática mediante la incorporación al diseño industrial de una tecnología de producción in situ de enzimas para descomponer los desechos biomásicos en un contexto de diversificación del producto es una propuesta interesante por la generación de nuevos catalizadores e instalaciones tecnológicas que respondan a las necesidades técnicas y sociales.

La ejecución de un proyecto de la magnitud y trascendencia planteada requiere del trabajo colaborativo de la comunidad científica, aunando experiencias, conocimiento y capacidades para alcanzar los objetivos planteados.

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Notas de autor

casalvador@uce.edu.ec

Información adicional

Cómo citar: Salvador Pinos, C., González, E., Rojas, M., Mesa, L., Batallas, F., Pérez Martínez, A., & Concepción, D. (2018). Empleo de biocatalizadores en la degradación de material lignocelulósico: principales impactos. FIGEMPA: Investigación y Desarrollo, 5(1), 41–46. https://doi.org/10.29166/revfig.v1i1.799