QUÍMICA VERDE – La tecnología convierte los desechos agrícolas en productos químicos de alto valor
Elton Alisson | Agência FAPESP : la biomasa de residuos agrícolas, como el bagazo de caña de azúcar o la paja de trigo, puede dar lugar a productos químicos finos de alto valor que sirven como insumos para la fabricación de cosméticos, alimentos, productos farmacéuticos y otros productos. Estos compuestos de origen vegetal tienen el potencial de reemplazar parte de lo que hoy produce la industria petroquímica, pero, para que eso suceda, es necesario desarrollar tecnologías competitivas para obtenerlos.
Un grupo de investigadores de Brasil y el Reino Unido ha avanzado en esta dirección al crear una ruta biotecnológica simplificada para transformar tanto el bagazo de caña de azúcar como la paja de trigo en compuestos con aplicación industrial, incluido el coniferol, cuyo precio por gramo puede alcanzar más 300 € (R $ 1.400 aproximadamente). Ahora, los científicos están buscando socios interesados en hacer que la tecnología sea comercialmente viable.
La metodología, desarrollada con el apoyo de FAPESP, dentro del alcance del Programa de Investigación de Bioenergía ( BIOEN ), se describió como Química Verde .
El trabajo contó con la participación de investigadores de las universidades de Sorocaba (Uniso) y del Estado de Campinas (Unicamp), además de la Universidad Británica de Manchester y la Universidad de Warwick.
«Pudimos desarrollar una ruta biocatalítica a través de la cual es posible producir aldehídos, como coniferol y ácidos aromáticos a partir de biomasa de residuos agrícolas», dijo Fábio Márcio Squina , profesor de Uniso y coordinador del proyecto.
El coniferol se usa para sintetizar varios productos químicos de alto costo, como el pinoresinol, un agente hipoglucémico, y la sesamina, que tiene propiedades antihipertensivas y contribuye a reducir los niveles de colesterol. Además, es un precursor de los aromas florales. Por lo tanto, tiene el potencial de ser utilizado como material de partida para el desarrollo de fragancias por la industria de perfumería y cosmética.
En la industria petroquímica, el coniferol se obtiene mediante procesos de síntesis química que involucran rutas complejas o se basan en el uso de reactivos peligrosos, como borohidruro de sodio, además de otros productos tóxicos, metales de transición o formulaciones de catalizadores complejos, sustancias que aceleran Velocidad de las reacciones químicas.
Para desarrollar un proceso más simple con menos impacto ambiental, los investigadores desarrollaron y aplicaron biocatalizadores directamente a los residuos agrícolas. Como resultado, pudieron liberar ácido ferúlico de la biomasa lignocelulósica y convertirlo directamente en coniferol.
«A través de una cascada de tres enzimas catalíticas desarrolladas en los últimos años, que también tienen aplicaciones para la producción de biocombustibles, hemos podido producir coniferol de manera simplificada con una eficiencia de conversión de hasta 97%», dijo Squina.
Combinación de enzimas
Una de las enzimas catalíticas utilizadas en el nuevo proceso es la feruloil esterasa (XynZ). Producida por una bacteria del género Clostridium , la proteína caracterizada por investigadores brasileños tiene la capacidad de eliminar el ácido ferúlico de la biomasa vegetal, un compuesto aromático que representa aproximadamente el 2% de la biomasa lignocelulósica.
Otra enzima, llamada aldoketo reductasa (AKR), producida por la termita subterránea ( Coptotermes gestroi ) y descubierta por científicos brasileños, puede catalizar la producción de coniferol. Sin embargo, para producir el compuesto a partir de ácido ferúlico a partir de lignocelulosa, se necesitaba una enzima reductasa de ácido carboxílico (CAR).
Durante una pasantía en la Universidad de Manchester, realizada con el apoyo de FAPESP durante su doctorado, Robson Tramontina probó diferentes combinaciones de AKR con CAR.
Los resultados indicaron que la mejor combinación fue con un CAR de una especie de bacteria encontrada en el suelo, Nocardia iowensis , descrita por científicos ingleses.
Después de alcanzar la combinación ideal, se desarrolló una cepa de la bacteria Escherichia coli , capaz de producir genes recombinantes a partir de termitas subterráneas y Nocardia iowensis .
En contacto con un material lignocelulósico, como la biomasa de bagazo de caña de azúcar o paja de trigo, la bacteria, junto con la enzima feruloil esterasa, desencadena una cascada de reacciones químicas que conducen a la producción de coniferol.
«Esta nueva ruta nos permite obtener no solo coniferol, sino también otros aldehídos y alcoholes aromáticos de alto valor, que también tienen aplicaciones en varios sectores industriales», dijo Squina.
Nuevas alianzas
Los investigadores ahora están trabajando para intensificar el proceso y realizar estudios de viabilidad económica.
Los cálculos preliminares indican que la nueva ruta biotecnológica permite la valorización de los residuos de caña de azúcar y paja de trigo hasta 5,000 veces, así como hasta 75 veces el precio del ácido ferúlico, al transformarlos en coniferol.
«Estamos buscando socios industriales interesados en hacer que la tecnología sea factible y, eventualmente, mejorarla para otras materias primas o para producir otros compuestos de interés comercial«, dijo Squina.
El artículo Producción consolidada de coniferol y otros alcoholes aromáticos de alto valor directamente a partir de biomasa lignocelulósica (DOI: 10.1039 / C9GC02359C), por Robson Tramontina, James L. Galman, Fabio Parmeggiani, Sasha R. Derrington, Timothy DH Bugg, Nicholas J. Turner , Fabio M. Squina y Neil Dixon, se pueden leer en https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/GC/C9GC02359C#!divAbstract .