El dióxido de carbono es uno de los principales impulsores del cambio climático, lo que significa que debemos reducir las emisiones de CO 2 en el futuro.
por Fraunhofer-Gesellschaft
Los investigadores de Fraunhofer están destacando una posible forma de reducir estas emisiones: utilizan el gas de efecto invernadero como materia prima, por ejemplo, para producir plásticos. Para hacer esto, primero producen metanol y ácido fórmico a partir de CO 2 , que convierten a través de microorganismos en bloques de construcción para polímeros y similares.
A medida que se queman las materias primas de origen fósil, se libera CO 2 al aire. Hasta ahora, la concentración de CO 2 en la atmósfera terrestre ya se ha elevado a alrededor de 400 partes por millón (ppm) equivalente al 0,04 por ciento. En comparación: hasta mediados del siglo XIX, este valor todavía estaba en el rango de 280 ppm. El aumento del nivel de dióxido de carbono tiene un impacto significativo en el clima. Desde el 1 de enero de 2021, las emisiones de CO 2 de la combustión de combustibles fósiles han estado sujetas a la fijación de precios del carbono, lo que significa que las empresas manufactureras tienen que pagar por sus emisiones de CO 2 . Como resultado, un gran número de empresas buscan nuevas soluciones. ¿Cómo pueden los costos asociados con el CO 2reducir el precio de las emisiones? ¿Cómo se pueden reducir las emisiones de CO 2 mediante procesos biointeligentes?
Química catalítica y biotecnología: una combinación ganadora
Actualmente, los investigadores están desarrollando enfoques para esto en los proyectos EVOBIO y ShaPID en el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB. Están trabajando en ambos proyectos en colaboración con varios Institutos Fraunhofer. «Usamos el CO 2 como materia prima», dice el Dr. Jonathan Fabarius, científico senior de biocatalizadores en Fraunhofer IGB. «Estamos siguiendo dos enfoques: primero, catálisis química heterogénea, mediante la cual convertimos el CO 2 con un catalizador en metanol. En segundo lugar, electroquímica, mediante la cual producimos ácido fórmico a partir de CO 2 «. Sin embargo, la característica única no reside en este CO 2-Producción basada en metanol y ácido fórmico solo, pero en su combinación con biotecnología, más específicamente con fermentaciones por microorganismos. Para decirlo de manera más simple: los investigadores primero toman el producto de desecho CO 2 , que es dañino para el clima, para producir metanol y ácido fórmico . A su vez, utilizan estos compuestos para «alimentar» a los microorganismos que producen más productos a partir de ellos. Un ejemplo de este tipo de producto son los ácidos orgánicos, que se utilizan como bloques de construcción de polímeros, una forma de producir plásticos a base de CO 2 . Este método también se puede utilizar para producir aminoácidos, por ejemplo, como complementos alimenticios o piensos para animales.
El enfoque novedoso ofrece una serie de ventajas. «Podemos crear productos completamente nuevos y también mejorar la huella de CO 2 de los productos tradicionales», especifica Fabarius. Si bien los procesos químicos convencionales requieren mucha energía y, a veces, disolventes tóxicos, los productos se pueden producir con microorganismos en condiciones más suaves y de mayor eficiencia energética; después de todo, los microbios crecen en soluciones acuosas más respetuosas con el medio ambiente.
Colorante aislado de cultivos en biorreactores de M. extorquens AM1 en metanol como sustrato o en ácido fórmico (formiato) como sustrato. Crédito: Fraunhofer-Gesellschaft
Frotis de separación para el aislamiento de colonias individuales de M. extorquens AM1 en una placa de agar medio mínimo que contiene metanol. Crédito: Fraunhofer-Gesellschaft
Vista detallada de un biorreactor para cultivar grandes cantidades de biomasa de M. extorquens AM1. Crédito: Fraunhofer-Gesellschaft
Colorante aislado de cultivos en biorreactores de M. extorquens AM1 en metanol como sustrato o en ácido fórmico (formiato) como sustrato. Crédito: Fraunhofer-Gesellschaft
La ingeniería metabólica lo hace posible
El equipo de investigación utiliza tanto bacterias metilotróficas nativas, es decir, aquellas que metabolizan naturalmente el metanol, como levaduras que en realidad no pueden metabolizar el metanol. Los investigadores también vigilan constantemente si se descubren nuevos organismos interesantes y comprueban su idoneidad como «fábricas de células». Pero, ¿cómo estos microorganismos fabrican realmente los productos? ¿Y cómo podemos influir en lo que producen? «En principio, utilizamos el metabolismo del microorganismo para controlar la fabricación del producto», explica Fabarius. «Para hacerlo, introducimos genes en los microbios que proporcionan el modelo para ciertas enzimas. Esto también se conoce como ingeniería metabólica». Las enzimas que se producen posteriormente en el microorganismo catalizan a su vez la producción de un producto específico. A diferencia de, los investigadores desactivan específicamente los genes que podrían influir negativamente en esta producción. «Al variar los genes que se introducen, podemos producir una amplia gama de productos», dice Fabarius.
El equipo de investigación está trabajando en toda la cadena de producción: comenzando con los microorganismos, seguido de las modificaciones genéticas y el aumento de la producción. Si bien algunos procesos de fabricación aún se encuentran en etapa de laboratorio, otros productos ya se están produciendo en biorreactores con una capacidad de diez litros. En cuanto a la aplicación industrial de dichos procesos, Fabarius prevé su implementación a medio y largo plazo. Diez años es un horizonte de tiempo realista, dice. Sin embargo, está aumentando la presión sobre la industria para que establezca nuevos procesos.
