El rol de la biomassa en la bioeconomía del futuro

Yi-hsuan Tsai

En los últimos 150 años, la síntesis de productos químicos económicos a partir del petróleo ha alterado drásticamente la sociedad a través de su vasta aplicación, variando desde cosméticos hasta plásticos.1 Sin embargo, debido a la limitación de la oferta de esta fuente no renovable frente a la creciente demanda, combinada con otros aspectos como el deterioro de los recursos naturales y el cambio climático, urge la necesidad del desarrollo de una bioeconomía sostenible que involucre la producción y utilización de recursos biológicos renovables tanto para la provisión eficiente y sostenible de productos, procesos y servicios en todos los sectores de la economía, como para la generación de bioenergía y bioproductos. No obstante, a diferencia de las necesidades energéticas, que podrían potencialmente ser reemplazadas por diversos enfoques tecnológicos tales como la energía nuclear, solar, eólica, entre otros, la producción de productos químicos basados en carbono no presenta otra opción renovable además de la biomasa, ya que es la única fuente de carbono disponible aparte del petróleo y el carbón.1 

Biomasa es toda aquella materia que ha sido producida por sistemas biológicos, como son las estructuras celulares de plantas y animales, o los compuestos generados por éstos.2 El uso de la biomasa, como fuente principal de energía y carbono, incluye a los procesos de emisión y secuestro de carbono dentro de una misma era geológica y, por lo tanto, implica una importante mejora en cuanto a la performance ambiental de las actividades económicas involucradas. En este sentido, la ciencia ocupa un rol relevante ya que aportaría en el diseño y desarrollo de producciones más eficientes, a partir del agregado de valor en cascada, que se traducen en menores desperdicios o costos medioambientales.

Si bien existen diversas fuentes de biomasa que podrían emplearse para la generación de productos químicos de alto valor agregado, la celulosa es la materia prima por excelencia, ya que es el polisacárido más abundante del planeta y es producida por los vegetales en el proceso de fotosíntesis. La biomasa celulósica puede obtenerse a partir de una variedad de fuentes tales como:2

• Residuos agrícolas (rastrojo de maíz, cáscara de soja, bagazo de caña de azúcar, pulpa de remolacha y sorgo dulce, etc.)

• Residuos forestales (ramas caídas, hojas, aserrín, etc.)

• Residuos sólidos urbanos (productos de papel y cartón)

• Residuos industriales (lodos de fabricación de papel)

• Materias primas agrícolas en forma de cultivos energéticos (cultivos herbáceos y leñosos, como pastos, álamos híbridos de crecimiento rápido y árboles de leucaena, etc.)

Como se puede apreciar, los desechos de biomasa son ampliamente accesibles, renovables y prácticamente no tienen costo. Sin embargo, se pueden transformar en un verdadero problema ambiental y operativo cuando deben ser desechados adecuadamente. Este escenario nos plantea el desafío de convertir este tipo de biomasa en recursos químicos, energéticos, o darles otros usos productivos, como alternativa de aquellos derivados de fuentes fósiles. En particular, siendo Argentina el tercer productor mundial de soja, con liderazgo en las exportaciones de harina y aceite de soja,3 resulta sumamente interesante la revalorización de las cáscaras de soja, residuo de estas actividades.

Objetivos

En vista de lo planteado anteriormente, el objetivo de nuestro trabajo es el desarrollo de procesos y productos orientados a optimizar el aprovechamiento de los residuos de biomasa e insertarlos en la matriz productiva en el marco de una mejor sustentabilidad económica, social y ambiental. 

Resumen del trabajo de investigación

Existen varios métodos para la conversión y revalorización del material celulósico,4 sin embargo, la pirólisis es la alternativa más económica y prometedora.5 En esta técnica, se produce la descomposición química de material orgánico por calentamiento, generando carbón y un bio-aceite. Cabe destacar que es importante que este proceso sea selectivo para generar productos de interés industrial, e intensivo para optimizar la producción y el consumo energético. 

Inicialmente nuestro trabajo se centró en la pirólisis de la cáscara de soja, con el propósito de degradar su cadena polimérica, para generar productos químicos de valor agregado y carbón. Asimismo, a fin de ampliar el alcance de este proceso, se evaluaron otros materiales celulósicos tales como los barros de celulosa de la industria papelera y la fibra algodonosa del palo borracho. 

En el estudio realizado, se analizaron las distintas variables que afectan el proceso pirolítico (la temperatura, la presión, la concentración del catalizador, la transferencia de calor y de masa, entre otros), con el fin de generar selectivamente levoglucosenona, un excelente material que por sus características estructurales y su versatilidad, permite el desarrollo de una amplia gama de productos químicos con alto valor agregado (Esquema 1).6 En nuestro grupo de investigación, hemos focalizado nuestros esfuerzos en explorar el potencial de este “bloque de construcción” en tres áreas: 

  1. Desarrollo de novedosos organocatalizadores quirales

Un organocatalizador es un compuesto orgánico que no contiene átomos metálicos, el cual en cantidades subestequiométricas permite la aceleración de reacciones químicas. Dada la ausencia de metales de transición, los métodos organocatalíticos son especialmente atractivos para la síntesis de compuestos que no toleran contaminación metálica, como es el caso de los productos farmacéuticos. Los organocatalizadores poseen ventajas adicionales, ya que generalmente se trata de moléculas robustas, baratas, fáciles de preparar y no tóxicas. Además, usualmente no se requieren condiciones de reacción demasiado estrictas (como atmósfera inerte y solventes anhidros) y permite la posibilidad de recuperar el catalizador químicamente inalterado al final del proceso. En nuestro caso, se pudieron preparar compuestos con actividad organocatalítica prometedora en reacciones de Diels-Alder asimétricas.7

  1. Preparación de intermediarios sintéticos claves 

Los carbohidratos que contienen azufre poseen propiedades físicoquímicas únicas y han proporcionado datos cruciales sobre eventos de reconocimiento celular y han contribuido al diseño racional de nuevos fármacos. Por lo tanto, en esta sección del proyecto, se prepararon intermediarios claves para la síntesis de tioazúcares que son blancos potenciales para el desarrollo de terapias basadas en carbohidratos.8

  1. Diseño y desarrollo de nuevos compuestos bioactivos

Aprovechando la reactividad de los distintos grupos funcionales presentes en levoglucosenona, se prepararon quimiotecas estructuralmente diversas para luego ser evaluadas en diferentes ensayos biológicos. 

En los estudios de actividad anticancerígena empleando dos de las líneas celulares más comunes de hepatocarcinoma humano: Huh-7 y HepG2, se pudieron identificar a varios derivados con actividad promisoria, siendo algunos de ellos más efectivos que Sorafenib o con actividad comparable al Cisplatino, dos de las drogas clínicamente utilizadas para tratar dicha enfermedad.6 Asimismo, se encontraron varios compuestos con citotoxicidad y selectividad interesantes frente a líneas celulares tales como MDA-MB-231 de adenocarcinoma de mama metastásico, H1299 del carcinoma de pulmón no microcítico y HT29 de adenocarcinoma de colon.9,10 A partir de las diversas derivatizaciones sobre levoglucosenona fue posible evaluar la relación estructura/actividad para el efecto antiproliferativo observado. 

Desde otra perspectiva, se realizaron ensayos autográficos con fraccionamiento bioguiado con la finalidad de evaluar la actividad antimicrobiana de los bio-aceites producidos a partir de la pirólisis de la cáscara de soja. De esta manera, se demostró que levoglucosenona, el componente principal de los bio-aceites, presenta actividad notable contra Salmonella typhimurium.6

Por último, cabe destacar que del proceso pirolítico del material celulósico se producen cantidades significativas de carbón con propiedades adsortivas. Por lo tanto, para aprovechar totalmente lo generado de la descomposición de la biomasa residual, se analizó el carbón para su potencial empleo como carbón activado, el cual tiene diversas aplicaciones industriales tales como la eliminación de agentes contaminantes o impurezas presentes en el agua, el aire, los alimentos, las bebidas y los productos farmacéuticos. En este caso, el carbón demostró tener un buen poder de adsorción y al ser sometido a un proceso de activación adicional, pudo duplicar su capacidad adsortiva. 

Esquema 1. Aprovechamiento de los residuos celulósicos para la generación de carbón activado
y levoglucosenona, una molécula versátil con múltiples aplicaciones.

Conclusiones

Los exitosos resultados logrados hasta el presente permiten concluir que el material celulósico residual constituye una excelente materia prima para la generación de nuevos compuestos con potencial interés industrial y ofrece una alternativa para disminuir nuestra dependencia hacia los derivados de fuentes fósiles. A su vez, este aprovechamiento de la biomasa residual está en perfecta concordancia con uno de los conceptos claves de la bioeconomía: una economía circular, el cual implica ir hacia un modelo productivo más sustentable en el que minimiza la generación de residuos.

Referencias 

1 Nikolau, B.J.; Perera, M.A.D.N.; Brachova, L.; Shanks, B.Platform Biochemicals for a Biorenewable Chemical Industry. Plant J., 2008, 54, 536–545.

2 Romanelli, G.P.; Ruiz, D.M.; Pasquale, G.A. Química de La Biomasa y Los Biocombustibles; 2017.

3 www.argentina.gob.ar/sites/default/files/sspmicro_cadenas_de_valor_soja.pdf (Accessed Oct 30, 2020).

4 Bardhan, S.K.; Gupta, S.; Gorman, M.E.; Haider, M.A. Biorenewable Chemicals: Feedstocks, Technologies and the Conflict with Food Production. Renew. Sustain. Energy Rev., 2015, 51, 506–520.

5 Parihar, A.; Bhattacharya, S. Cellulose Fast Pyrolysis for Platform Chemicals: Assessment of Potential Targets and Suitable Reactor Technology. Biofuels, Bioprod. Biorefining, 2020, 14, 446–468.

6 Comba, M.B.; Tsai, Y.; Sarotti, A.M.; Mangione, M.I.; Suárez, A.G.; Spanevello, R.A. Levoglucosenone and Its New Applications: Valorization of Cellulose Residues. European J. Org. Chem., 2018, 2018, 590–604.

7 Gerosa, G.G.; Spanevello, R.A.; Suárez, A.G.; Sarotti, A.M. Joint Experimental, in Silico, and NMR Studies toward the Rational Design of Iminium-Based Organocatalyst Derived from Renewable Sources. J. Org. Chem., 2015, 80, 7626–7634.

8 Comba, M.B.; Suárez, A.G.; Sarotti, A.M.; Mangione, M.I.; Spanevello, R.A.; Giordano, E.D.V. Synthesis of a 3-Thiomannoside. Org. Lett., 2016, 18, 1748–1751.

9 Tsai, Y.; Borini Etichetti, C.M.; DiBenedetto, C.; Girardini, J.E.; Martins, F.T.; Spanevello, R.A.; Suárez, A.G.; Sarotti, A.M. Synthesis of Triazole Derivatives of Levoglucosenone As Promising Anticancer Agents: Effective Exploration of the Chemical Space through Retro -Aza-Michael//Aza-Michael Isomerizations. J. Org. Chem., 2018, 83, 3516–3528.

10 Tsai, Y.; Borini Etichetti, C.M.; Cicetti, S.; Girardini, J.E.; Spanevello, R.A.; Suárez, A.G.; Sarotti, A.M. Design, Synthesis and Evaluation of Novel Levoglucosenone Derivatives as Promising Anticancer Agents. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2020, 30, 127247.