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Manera rentable de convertir plantas en fuentes de energía renovables

TECNOLOGÍA DE INGENIERÍAManera rentable de convertir plantas en fuentes de energía renovables

Los científicos han demostrado una nueva tecnología en la que las bacterias modificadas por bioingeniería pueden producir productos químicos / polímeros rentables a partir de fuentes vegetales renovables.

Lignina es un material que forma parte de la pared celular de todas las plantas de secano. Es el segundo polímero natural más abundante después de la celulosa. Este material es el único polímero que se encuentra en las plantas que no está compuesto por monómeros de carbohidratos (azúcar). Los biopolímeros de lignocelulosa proporcionan forma, estabilidad, fuerza y ​​rigidez a las plantas. Los biopolímeros de lignocelulosa constan de tres componentes principales: la celulosa y la hemicelulosa forman un marco en el que se incorpora la lignina como una especie de conector solidificando así la pared celular. La lignificación de la pared celular hace que las plantas sean resistentes al viento y las plagas y las ayuda a no pudrirse. La lignina es un recurso renovable vasto pero muy subutilizadofuente de energía. La lignina, que representa hasta el 30 por ciento de la biomasa de lignocelulosa, es un tesoro sin explotar, al menos desde el punto de vista químico. La industria química depende principalmente de los compuestos de carbono para crear diferentes productos como pintura, fibras artificiales, fertilizantes y, lo más importante, plástico. Esta industria utiliza algunos recursos renovables como aceite vegetal, almidón, celulosa, etc., pero esto comprende solo el 13 por ciento de todos los compuestos.

Lignina, una alternativa prometedora al petróleo para fabricar productos

De hecho, la lignina es la única fuente renovable en la tierra que contiene una gran cantidad de compuestos aromáticos. Esto es importante porque los compuestos aromáticos se extraen generalmente de la fuente de petróleo no renovable y luego se utilizan para producir plásticos, pinturas, etc. Por lo tanto, el potencial de la lignina es muy alto. En comparación con el petróleo, que es un combustible fósil no renovable, las lignocelulosas se derivan de la madera, la paja o el miscanto, que son fuentes renovables. La lignina se puede cultivar en campos y bosques y generalmente es neutra con el clima. Las lignocelulosas se están considerando como una alternativa seria al petróleo en las últimas décadas. El petróleo impulsa la industria química en la actualidad. El petróleo es una materia prima para muchos productos químicos básicos que luego se utilizan para producir productos útiles. Pero el petróleo es una fuente no renovable y está disminuyendo, por lo tanto, el enfoque debe estar en encontrar fuentes renovables. Esto hace que la lignina entre en escena, ya que parece ser una alternativa muy prometedora.

La lignina está llena de alta energía, pero recuperar esta energía es complicado y un proceso costoso y, por lo tanto, incluso el biocombustible generado, ya que el resultado final generalmente tiene un costo muy alto y no puede reemplazar económicamente la "energía de transporte" actualmente en uso. Se han investigado muchos enfoques para desarrollar formas rentables de descomponer la lignina y convertirla en sustancias químicas valiosas. Sin embargo, varias limitaciones han restringido la conversión de una materia vegetal táctil como la lignina para usarla como fuente de energía alternativa o incluso intentar hacerla más rentable. Un estudio reciente ha logrado que las bacterias (E. Coli) actúen como una fábrica de células de bioconversión eficiente y productiva. Bacterias crecen y se multiplican muy rápido y son capaces de soportar duros procesos industriales. Esta información se combinó con la comprensión de los degradadores de lignina disponibles de forma natural. El trabajo fue publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.

El equipo de investigadores dirigido por el Dr. Seema Singh en los Laboratorios Nacionales Sandia resolvió tres problemas principales que se encuentran al convertir la lignina en sustancias químicas de plataforma. El primer obstáculo importante es que la bacteria E. Coli generalmente no produce las enzimas necesarias para la conversión. Los científicos tienden a resolver este problema de producir enzimas agregando un "inductor" al anillo de fermentación. Estos inductores son eficaces pero muy caros y, por tanto, no encajan bien en el concepto de biorrefinerías. Los investigadores probaron un concepto en el que un compuesto derivado de la lignina como la vainilla se usaba como sustrato y como inductor mediante la ingeniería de la bacteria E. Coli. Esto evitaría la necesidad de un inductor caro. Aunque, como descubrió el grupo, la vainilla no era una buena opción, especialmente porque una vez que la lignina se descompone, la vainilla se produce en grandes cantidades y comienza a inhibir la función de E. Coli, es decir, la vainilla comienza a generar toxicidad. Pero esto funcionó a su favor cuando diseñaron la bacteria. En el nuevo escenario, el mismo químico que es tóxico para E. Coli se utiliza para iniciar el complejo proceso de "valorización de la lignina". Una vez que la vainilla está presente, activa las enzimas y las bacterias comienzan a convertir la vainillina en catecol, que es la sustancia química deseada. Además, la cantidad de vainillina nunca alcanza el nivel tóxico, ya que se autorregula en el sistema actual. El tercer y último problema fue la eficiencia. El sistema de conversión era lento y pasivo, por lo que los investigadores buscaron transportadores más efectivos de otras bacterias y los transformaron en E. Coli, que luego aceleró el proceso. Superar los problemas de toxicidad y eficiencia mediante estas soluciones innovadoras puede ayudar a que la producción de biocombustible sea un proceso más económico. Y la eliminación de un inductor externo junto con la incorporación de la autorregulación puede optimizar aún más el proceso de producción de biocombustible.

Está bien establecido que una vez que la lignina se descompone, tiene la capacidad de proporcionar o, más bien, "otorgar" valiosos productos químicos de plataforma que luego se pueden convertir en nailon, plásticos, productos farmacéuticos y otros productos importantes que actualmente se derivan del petróleo, un no -Fuente de energía renovable. Este estudio es relevante por ser un paso hacia la investigación y el desarrollo de soluciones rentables para biocombustibles y bioproducción. Mediante el uso de la tecnología de bioingeniería, podemos producir grandes cantidades de sustancias químicas de plataforma y varios otros productos finales nuevos, no solo con E. coli bacteriana sino también con otros huéspedes microbianos. La investigación futura de los autores se centrará en demostrar una producción económica de estos productos. Esta investigación tiene un gran impacto en los procesos de generación de energía y la expansión del abanico de posibilidades de los productos ecológicos. Los autores señalan que en un futuro cercano la lignocelulosa debería complementar definitivamente el petróleo, si no reemplazarlo.

***

{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

Fuentes)

Wu W y col. 2018. Hacia la ingeniería de E. coli con un sistema autorregulador para la valorización de la lignina ', Actas de la Academia Nacional de Ciencias. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115

Equipo SCIEU
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