Surge una nueva ruta biotecnológica para obtener productos químicos finos a partir de residuos agrícolas

Científicos buscan socios industriales para mejorar el proceso de conversión del bagazo de la caña de azúcar y la paja del trigo en compuestos de alto valor

Por Elton Alisson  |  FAPESP Investigación para la Innovación  –  La biomasa de residuos agrícolas como el bagazo de la caña de azúcar puede utilizarse como materia prima para dar origen a productos químicos finos. Con todo, para ello es necesario desarrollar tecnologías competitivas en comparación con los procesos que se emplean actualmente en la industria petroquímica, a los efectos de obtener esos compuestos de alto valor para su empleo en aplicaciones especializadas.

Un grupo de científicos de Brasil y del Reino Unido ha logrado avanzar en esa dirección al desarrollar una nueva ruta biotecnológica simplificada para la transformación tanto del bagazo de la caña de azúcar como de la paja del trigo en productos químicos finos. Tales compuestos tienen aplicaciones en las industrias alimenticias, de cosméticos y farmacéuticas, entre otras. Los investigadores se abocan ahora a la búsqueda de socios interesados en la factibilidad y en el desarrollo comercial de esta tecnología.

Este nuevo proceso, desarrollado en el marco de un proyecto apoyado por la FAPESP en el ámbito del Programa de Investigaciones en Bionergía (BIOEN), aparece descrito en un artículo publicado en la revista Green Chemistry.

Este trabajo contó con la participación de investigadores de las universidades de Sorocaba (Uniso) y de Campinas (Unicamp), por el lado de Brasil, y de las universidades de Manchester y de Warwick, ambas del Reino Unido.

“Logramos desarrollar una ruta biocatalítica a través de la cual es posible producir alcohol coniferílico y otros aldehídos y ácidos aromáticos directamente a partir de la biomasa de residuos agrícolas”, declaró a Investigación para la Innovación Fábio Márcio Squina, docente de la Uniso y coordinador del proyecto.

El alcohol coniferílico, un compuesto cuyo valor puede llegar a más de 300 euros por gramo, se utiliza para sintetizar diversos productos químicos también de un elevado costo. Entre ellos pueden mencionarse el pinoresinol –un agente hipoglucémico– y la sesamina, que posee propiedades antihipertensivas y ayuda a disminuir los niveles de colesterol. Asimismo, es un precursor de aromas florales. Por eso cuenta con potencial para su uso como material de partida para el desarrollo de fragancias en la industria de perfumería y cosméticos.

En las industrias petroquímicas, el alcohol coniferílico se obtiene mediante procesos de síntesis química que implican rutas complejas o basadas en el uso de reactivos peligrosos. Entre esas sustancias se encuentran el borohidruro de sodio y otros productos tóxicos, metales de transición o fórmulas complejas de catalizadores, sustancias que aceleran reacciones químicas.

Con el objetivo de desarrollar un proceso más sencillo y que elimine el uso de sustancias peligrosas y los impactos ambientales, los investigadores desarrollaron y aplicaron biocatalizadores directamente en los residuos agrícolas. Así fue como lograron liberar ácido ferúlico de la biomasa lignocelulósica y convertirlo directamente en alcohol coniferílico.

“Mediante la aplicación de una cascada de tres enzimas catalizadoras desarrollada en los últimos años, y que también posee aplicaciones en la producción de biocombustibles, logramos producir de manera simplificada alcohol coniferílico con hasta un 97% de rendimiento de conversión”, afirmó Squina.

Una combinación de enzimas

Una de las enzimas catalizadoras empleadas en el nuevo proceso es una feruloil esterasa (XynZ). Esta enzima caracterizada por los investigadores brasileños, producida por una bacteria del género Clostridium, posee la capacidad de remover de la biomasa vegetal el ácido ferúlico, un compuesto aromático que representa alrededor del 2% de la biomasa lignocelulósica.

En tanto, otra enzima, denominada aldoketo reductasa (AKR), producida por la termita subterránea asiática (Coptotermes gestroi) y descubierta por los científicos brasileños, es capaz de catalizar la producción del alcohol coniferílico. Con todo, para producir este compuesto a partir del ácido ferúlico proveniente de la lignocelulosa, se hacía necesaria una enzima ácido carboxílico reductasa (CAR).

Durante una pasantía de investigación en el exterior del doctorando Robson Tramontina en la Universidad de Manchester, con beca de la FAPESP, se testearon distintas combinaciones de la AKRs con CARs.

Los resultados de esas pruebas indicaron que la mejor combinación era con una CAR proveniente de una especie de bacteria encontrada en el suelo y denominada Nocardia iowensis, descrita por los científicos ingleses.

Luego de llegar a la combinación ideal, se desarrolló una cepa de la bacteria Escherichia coli capaz de producir los genes recombinantes provenientes de la termita subterránea y de la Nocardia iowensis.

En contacto con un material lignocelulósico como la biomasa de bagazo de la caña de azúcar o la paja del trigo, la bacteria, junto a la enzima feruloil esterasa, desencadena una cascada de reacciones químicas que llevan a la producción de alcohol coniferílico.

“Esta nueva ruta permite obtener no solamente el alcohol coniferílico sino también otros aldehídos y alcoholes aromáticos de alto valor, que también poseen aplicaciones en diversos sectores industriales”, afirmó Squina.

La búsqueda de socios

Los investigadores están trabajando ahora en la intensificación del proceso y en estudios de factibilidad económica.

Los cálculos preliminares indican que esta nueva ruta biotecnológica permite la valorización de los residuos de la caña de azúcar y de la paja del trigo hasta 5 mil veces, como así también elevar hasta 75 veces el precio del ácido ferúlico, al transformarlos en alcohol coniferílico.

“Estamos buscando socios industriales que tengan interés en viabilizar esta tecnología y eventualmente perfeccionarla para otras materias primas o para producir otros compuestos de interés comercial”, dijo Squina.

Puede leerse el artículo intitulado Consolidated production of alcohol coniferol and other high-value aromatic alcohols directly from lignocellulosic biomass (DOI: 10.1039/C9GC02359C), de Robson Tramontina, James L. Galman, Fabio Parmeggiani, Sasha R. Derrington, Timothy D. H. Bugg, Nicholas J. Turner, Fabio M. Squina y Neil Dixon, en la revista Green Chemistry, en el siguiente enlace: pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/GC/C9GC02359C#!divAbstract.