Bacterias reprogramadas transforman CO2 residual en productos valiosos
La creciente preocupación por la sostenibilidad medioambiental y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero ha provocado un aumento de las iniciativas de investigación centradas en la utilización del CO2 como materia prima. El objetivo es crear productos químicos y materiales ecológicos aprovechando fuentes de energía renovables y biocatalizadores microbianos. «El método combinado que consiste en capturar CO2 y convertirlo en productos valiosos repercute en las grandes industrias al sustituir una parte de sus productos tradicionalmente basados en fósiles por alternativas sostenibles», señala Nicolò Vasile, miembro del equipo de coordinación del proyecto financiado con fondos europeos ENGICOIN. «Un elemento clave para aplicar satisfactoriamente este método es llevar a cabo políticas de fabricación distribuida que permitan integrar las plantas que generan emisiones de CO2 con sistemas que utilicen el calor residual y fuentes de electricidad renovables de bajo coste». Esto contribuye a crear una economía circular en la que el producto de un proceso se convierte en el insumo de otro.
Alquimia microbiana para obtener productos sostenibles
En ENGICOIN se ejemplifican estos principios gracias a la conversión de CO2 en diversos plásticos y productos químicos básicos mediante microorganismos artificiales. «La labor de ENGICOIN allana el camino para las fábricas microbianas modificadas, que utilizan catalizadores biológicos robustos capaces de manejar materias primas variables basadas en CO2, dando lugar a sistemas de proceso flexibles, integrados y resistentes». «Desarrollamos tres nuevas fábricas microbianas integradas que explotan fuentes de CO2 e hidrógeno renovable procedente de la electrólisis dentro de una plataforma de digestión anaerobia industrial que trata la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos», añade Vasile. Estas fábricas microbianas producen ácido láctico, polihidroxialcanoatos (PHA), acetato y acetona. La fábrica microbiana 1 emplea el microorganismo fotosintético «Synechocystis». Este microorganismo que capta CO2 utilizando la luz solar se modifica para producir ácido láctico a partir de gases de combustión de biogás y flujos de CO2 puro procedentes de la transformación de biogás en biometano. Basándose en una bacteria aerobia, «Cupriavidus necator», la fábrica microbiana 2 obtiene su energía a partir de reacciones químicas Convierte el CO2 y el hidrógeno en termoplásticos biodegradables y biocompatibles (PHA) a partir de las mismas fuentes de CO2 que la fábrica microbiana 1: gases de combustión de biogás y flujos de CO2 puro procedentes de la transformación de biogás en biometano. Por último, la fábrica microbiana 3 utiliza un acetógeno anaerobio, «Acetobacterium woodii», que convierte el CO2 y el hidrógeno en acetato y acetona.
Afrontar los retos asociados a la ampliación de la tecnología
En ENGICOIN se ha puesto en marcha y se ha probado satisfactoriamente la plataforma piloto con nivel de preparación tecnológica 5 que integra un biorreactor y un electrolizador en Italia. El principal objetivo de la campaña de pruebas era demostrar la viabilidad de los bioprocesos alimentados con gas residual (CO2 bruto) y el funcionamiento continuo del biorreactor y el electrolizador para procesos de larga duración. Los investigadores demostraron la viabilidad del cultivo de «Synechocystis» y «Cupriavidus necator» modificados para la producción de ácido láctico y PHA en un entorno industrial real. Este proceso implicaba el uso de sistemas de reactores a escala y la alimentación de los cultivos bacterianos con CO2 residual. El equipo del proyecto abordó los retos de la aplicación a escala industrial de los conceptos y tecnologías propuestos, centrándose en la sostenibilidad económica conseguida mediante el funcionamiento nocturno del electrolizador y la producción continua de la fábrica microbiana. «En ENGICOIN se pretendía reducir de manera significativa las emisiones de CO2 a medio y largo plazo centrándose en productos valiosos como los polímeros (incluidos los polilactatos y los PHA) que representan el 4 % del uso mundial de petróleo crudo», afirma Vasile. «Encontrar otros productos con un potencial comparable para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero es todo un reto, salvo en el caso de los biocombustibles. Sin embargo, los que implican el uso de hidrógeno en su proceso de tratamiento aún no están listos para el mercado». ENGICOIN demostró el potencial del aprovechamiento del CO2 como materia prima para la producción sostenible de productos químicos, en sustitución de los derivados de fuentes fósiles. Al utilizar energías renovables y centrarse en el secuestro y la purificación del CO2 procedente de gases de combustión, los resultados de ENGICOIN muestran la importancia de diseñar futuros procesos biotecnológicos que contribuyan a una economía circular.
Palabras clave
ENGICOIN, fábricas microbianas, hidrógeno, PHA, productos químicos, plásticos, ácido láctico, CO2 residual