BiotecMov Num 27 Completo PDF

O
NÚMERO 27 OCTUBRE-NOVIEMBRE-DICIEMBRE DE 2021 ISSN en trámite NÚMER

L
ESPECIA
REVISTA DE DIVULGACIÓN DEL INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA DE LA UNAM
Biorrefinerías y
sustentabilidad
Bioetanol por
Residuos lignocelulósicos fermentación microbiana
Cómo degradar Biotecnología moderna
desechos vegetales y combustibles
Generando Bioenergías y
azúcares de biomasa cadenas de valor
BIOCOMBUSTIBLE
Disponible en
www.ibt.unam.mx
DIRECTORIO ISSN en trámite
UNAM
RECTOR
Dr. Enrique Luis Graue Wiechers
SECRETARIO GENERAL
Dr. Leonardo Lomelí Vanegas
SECRETARIO ADMINISTRATIVO
Dr. Luis Álvarez Icaza Longoria
SECRETARIA DE DESARROLLO INSTITUCIONAL
Dra. Patricia Dolores Dávila Aranda
SECRETARIO DE PREVENCIÓN, ATENCIÓN
Y SEGURIDAD UNIVERSITARIA
Lic. Raúl Arcenio Aguilar Tamayo
ABOGADO GENERAL
Dr. Alfredo Sánchez Castañeda
COORDINADOR DE LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
Dr. William Henry Lee Alardín
DIRECTOR GENERAL DE COMUNICACIÓN SOCIAL
Presentación 2
Lic. Néstor Martínez Cristo
IBt
DIRECTORA
Potencial de los residuos lignocelulósicos
Dra. Laura Alicia Palomares Aguilera
SECRETARIO ACADÉMICO
para impulsar el desarrollo sustentable 3
Dr. Enrique Rudiño Piñera Por Raunel Tinoco Valencia y Leobardo Serrano Carreón
SECRETARIA DE VINCULACIÓN
Dra. Brenda Valderrama Blanco
SECRETARIO ADMINISTRATIVO
C.P. Francisco Arcos Millán Las biorrefinerías son plataformas
COORDINADOR GENERAL DE DOCENCIA
Dr. Adrián Ochoa Leyva sustentables y más limpias 8
COORDINADOR DE INFRAESTRUCTURA
Dr. Gerardo Corzo Burguete Por Estefanía Sierra Ibarra, Guillermo Gosset Lagarda
COORDINADOR DE ANÁLISIS NORMATIVO y Alfredo Martínez Jiménez
Lic. Christian Rodríguez Caro
JEFES DE DEPARTAMENTO
BIOLOGÍA MOLECULAR DE PLANTAS
Dr. José Luis Reyes Taboada
Pretratamientos de la biomasa
GENÉTICA DEL DESARROLLO Y FISIOLOGÍA MOLECULAR
Dra. Hilda Ma. Lomelí Buyoli
para la producción de bioetanol 15
INGENIERÍA CELULAR Y BIOCATÁLISIS Por Karla Verónica Teymennet Ramírez y María R. Trejo Hernández
Dr. Guillermo Gosset Lagarda
MEDICINA MOLECULAR Y BIOPROCESOS
Dra. Leonor Pérez Martínez
MICROBIOLOGÍA MOLECULAR Sacarificación: obtención de azúcares
Dr. Enrique Merino Pérez
EDITOR a partir de biomasa en biorrefinerías 19
enrique.galindo@ibt.unam.mx Por Eliseo R. Molina Vázquez, Adelfo Escalante Lozada
EDITOR EJECUTIVO y Alfredo Martínez Jiménez
jaime.padilla@ibt.unam.mx
COMITÉ EDITORIAL
Dr. Edmundo Calva Mercado
Dra. Claudia Díaz Camino
Buscando y mejorando microorganismos para
Dr. Ricardo Grande Cano
Dr. Carlos Peña Malacara producir biocombustibles 22
M.C. Blanca Ramos Cerrillo
Dr. Enrique Reynaud Garza Por Fernando Martínez Morales
Dr. Paul Rosas Santiago
Biotecnología en Movimiento Año 7, No. 27. Publicación

trimestral, editada por la Universidad Nacional Autónoma
de México, Av. Universidad 3000, Col. Universidad Nacional
Retos actuales para la producción
Autónoma de México, C.U. Alcaldía Coyoacán C.P. 04510, a
través del Instituto de Biotecnología, Av. Universidad 2001, Col.
de biocombustibles 26
Chamilpa, C.P. 62210, Cuernavaca, Mor., Tel. 777-329-16-77
ext. 38211, correo electrónico biotecmov@ibt.unam.mx. Por Karla Verónica Teymennet Ramírez y María R. Trejo Hernández
Editores responsables Enrique Galindo y Jaime Padilla.
Sitio Web de la revista: biotecmov.ibt.unam.mx. Reserva de
derechos al uso exclusivo 04-2015-06021444700-102
otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor.
ISSN en trámite. Responsable de la última actualización: M.C.
Cadenas de valor: de la refinería actual
Walter Santos. Publicado como PDF el 15 de diciembre del
2021. Disponible en: biotecmov.ibt.unam.mx
a las biorrefinerías 31
Por Emiliano Balderas y Luis Caspeta
FOTOGRAFÍA
Colaboración especial del Sistema de Archivos Compartidos
UAEM-3Ríos (Adalberto Ríos Szalay, Ernesto y Adalberto Ríos
Lanz).
DISEÑO EDITORIAL E ILUSTRACIÓN

PRESENTACIÓN EDITORIAL: BIORREFINERÍAS DE RESIDUOS VEGETALES
E
l uso indiscriminado de los recursos naturales y una dinámica económica lineal
tiene como consecuencia la acumulación de una gran cantidad de residuos
contaminantes; esta es una práctica insostenible que sigue provocando grandes
problemas medioambientales y de salud en el mundo. No obstante, la estrategia
innovadora hacia una bioeconomía circular tiene como propósito reducir la generación
de residuos contaminantes mediante la optimización de los procesos de producción y
uso de materiales y energía, el reciclaje de diversos productos y/o su transformación
en insumos requeridos por la sociedad. Esta visión es indispensable para lograr un
aprovechamiento sostenible de los recursos naturales. Como sabemos, la energía
es un componente clave en el desarrollo de cualquier país; de ella dependen los
sectores rural, industrial, urbano y los servicios asociados con el bienestar humano.
Actualmente, estas necesidades son abastecidas a nivel mundial, preponderantemente
a partir de materias primas de origen fósil: carbón, petróleo y gas. Sin embargo, este
modelo ha provocado diversos impactos negativos en los servicios ambientales,
afectando el agua de ríos y mares, el suelo y el aire, evidenciado desde hace décadas
por las crecientes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), que ocasionan
el cambio climático y cuyos graves efectos son patentes ahora en diversas zonas del
nuestro planeta.
El desarrollo e implementación de alternativas tecnológicas basadas en
biotecnologías para aprovechar materias primas renovables como la biomasa vegetal
(y otros residuos) y obtener biocombustibles y una amplia variedad de insumos de
interés industrial, es una opción competitiva para alcanzar objetivos globales de
reducción de emisiones de CO2 y otros GEI. De este modo las biorrefinerías representan
alternativas sostenibles para aprovechar millones de toneladas de residuos vegetales,
sin competir con otros recursos destinadas a la alimentación. El desafío para todos
los sectores involucrados, tanto científicos y tecnológicos, así como para las cadenas
productivas, es lograr transitar hacia las prácticas de una bioeconomía circular,
orientada particularmente a desarrollar e implementar biorrefinerías. Los beneficios
potenciales, considerando mejoras al bienestar social, ambiental y económico es hoy
cada vez más claro.
En este número se revisan diferentes conceptos, alternativas y procesos en torno a
las biorrefinerías. Asimismo, analizamos la situación presente y varias perspectivas
para la utilización de residuos vegetales disponibles localmente, que permitan una
gestión más eficiente de los recursos y, con ello, mejores niveles de vida al tiempo de
preservar la viabilidad de nuestro planeta.
Dra. María del Refugio Trejo Hernández (mtrejo@uaem.mx) y Dr. Alfredo
Martínez Jiménez (alfredo.martinez@ibt.unam.mx), Editores invitados
Para la realización de proyectos relacionados con Biorrefinerías, los editores invitados reconocen los
financiamientos de CONACyT – CB A1-S-34559 (Dra. María Trejo) y PAPIIT – DGAPA UNAM
IV100119 (Dr. Alfredo Martínez)
Potencial
de los residuos
lignocelulósicos
para impulsar
el desarrollo
sustentable
Raunel Tinoco Valencia y Leobardo Serrano Carreón
E
Nuestro principal desafío
l incremento proyectado de la población global, desde
7 a 8 mil millones para el año 2030 y a 10 mil millones
de habitantes en 2050, implica un reto enorme para el
futuro de la humanidad: lograr un desarrollo sustenta-
ble. Durante este siglo, los requerimientos de alimentos,
agua, energía e insumos para la salud para la creciente pobla-
ción no podrán originarse de la explotación indiscriminada
de los recursos naturales que ha llevado a la deforestación de
enormes superficies de bosques, a la degradación de suelos,
ríos y mares, ni tampoco al uso masivo de combustibles fósi-
les, responsables entre otros desequilibrios, del calentamiento
global provocado por el incremento gradual del CO2 atmos-
férico —rebasando el 0.4%, junto a otros gases de efecto in-
vernadero— que son generados por las actividades antropo-
génicas (de los humanos) y biogénicas (ganadería, incendios
forestales) [1].
Ante esta necesidad de reducir las emisiones —o acercarnos
a un equilibrio entre captura y emisión— se han ensayado va-
rias alternativas para la producción de nuestros satisfactores,
con procesos sustentables que logren una menor producción
de CO2 más cercano a la capacidad de la naturaleza para ab-
sorberlo. Existen dos estrategias principales: la sustitución del
3 BIOTECNOLOGÍA EN MOVIMIENTO
carbón mineral, del petróleo
y sus derivados (combusti-
bles fósiles, plásticos y otros
polímeros) generando mate-
riales energéticos y otros in-
sumos a partir de diferentes
recursos biológicos; asimis-
mo, optimizando los proce-
sos de producción, almace-
namiento, distribución y uso
de la energía. La obtención
de combustibles sustentables
debe satisfacer las necesida-
des de las generaciones pre-
sentes y futuras garantizan-
do la rentabilidad, la salud
ambiental, así como la equi-
dad social y económica. Tales
estrategias surgen del mode-
lo de economía circular, que
implica conceptos y tenden-
cias en lo financiero, social
y ambiental, ligados con la
sustentabilidad. Organismos
Concepto de gestión del reciclado de multilaterales como el Parlamento Europeo la define así: “La “La economía circular es un
productos en una economía circular economía circular es un modelo de producción y consumo
que implica compartir, alquilar, reutilizar, reparar, renovar y modelo de producción y consumo
reciclar materiales y productos existentes todas las veces que que implica compartir, alquilar,
sea posible para crear un valor añadido; de esta forma, el ciclo reutilizar, reparar, renovar y
de vida de los productos se extiende”. El modelo ‘lineal’ vi- reciclar materiales y productos
gente (extracción-transformación-uso-desecho), es ineficiente.
La Unión Europea estima que la producción de los materiales existentes todas las veces que
que usamos bajo el esquema actual, es responsable del 45% de sea posible para crear un valor
las emisiones de CO2; si avanzamos hacia una economía cir- añadido; de esta forma, el ciclo de
cular, lograríamos reducir la presión sobre el medio ambiente, vida de los productos se extiende”
mejorando la seguridad del suministro de materias primas,
estimulando la competitividad, la innovación, el crecimiento
económico y el empleo [1]. Una de las alternativas más pro-
metedoras para la sustitución de combustibles fósiles es el uso
de la biomasa (materia orgánica) de origen vegetal, como ma-
teria prima para la producción de bioenergía, de polímeros
y de compuestos químicos precursores de muchos productos
que requerimos a diario, y que actualmente se obtienen del
petróleo [Fig. 1].
La biomasa y la bioenergía
La biomasa incluye cualquier material biológico derivado de
organismos vivos como madera, cultivos de alto contenido
energético, residuos agrícolas, desechos alimentarios, residuos
industriales de origen orgánico y sus coproductos. La energía
(química, calórica o eléctrica), obtenida a partir de estos mate-
riales es bioenergía. De esta forma se suma al aprovechamien-
to de otras energías renovables, tales como las energías solar,
geotérmica y eólica. El consumo mundial de energía se estima
en 63 ExaJoules (exa=1018 o millones de billones, equivalentes
a 17.5 X 1012 KWh). Aunque las bioenergías derivadas de bio-
masa contribuyeron con un 11% del total, dos terceras partes
provienen del uso ‘tradicional’ de la biomasa (carbón/ leña
Figura 1. Esquema comparativo entre
el (A) modelo económico presente
A (lineal) con acumulación de desechos
y GEI. (B) En el modelo bioeconómico
(circular), se aprovechan los residuos
agropecuarios y forestales. La clave de
la transición es reducir las emisiones en
varios transformaciones para alcanzar la
‘neutralidad de carbono’, disminuyendo
el uso de recursos fósiles, aumentando
la eficiencia energética y mitigando el
cambio climático.
para cocina y calefacción), mientras que las bioenergías ‘mo-

dernas’ (biocombustibles), solo contribuyen con el 6% de la
calefacción, 4% de la generación de electricidad y 6% de las ne-
cesidades de energía para el transporte. El limitado uso de las
bioenergías modernas se debe a su alto costo relativo de imple-
mentación, respecto a las energías tradicionales; al deficiente
manejo de la biomasa y, en general, a la falta de una política
de largo plazo que provea un marco jurídico congruente para
la sustentabilidad energética a nivel local y mundial. La Agen-
cia Internacional de Energía (IEA) estima que, para cumplir
con el “Acuerdo de París” que supone limitar el incremento
de la temperatura media de la Tierra a no más de 2 °C para el
2100, sería necesario incrementar sustancialmente la contribu-
ción de las energías renovables, incluyendo específicamente
las bioenergías modernas desde un nivel de 22 ExaJoules pro-
ducidos actualmente, a 62 ExaJoules para 2060, lo que repre-
sentaría aproximadamente un 58 % de la demanda mundial
estimada para ese año. Este cambio implicaría una reducción
más rápida y profunda de las emisiones de CO2 mediante el
incremento del uso de bioenergías, así como la promoción de
una rápida reducción efectiva del consumo energético actual,
especialmente del derivado de recursos fósiles [2]. De forma
concurrente han surgido ajustes y compromisos en la reciente
La biomasa lignocelulósica ‘Conferencia sobre Cambio Climático’ (COP-26 en Glasgow)
que, además de redefinir las metas ambientales a alcanzar,
está conformada por lignina, han acordado los mecanismos de evaluación para dar el se-
hemicelulosa y celulosa que son guimiento de las políticas implementadas.
polímeros estructurales que se La bioenergía puede provenir de una gran variedad de ma-
encuentran en la pared celular de terias primas tales como:
a) Residuos orgánicos húmedos. Lodos residuales de plan-
las plantas. La celulosa abunda tas de tratamiento de aguas, residuos animales y efluentes
entre el 25 a 67% seguida de la orgánicos líquidos (heces y orina), así como la fracción orgá-
lignina (32 a 55%) y en menos nica de desechos municipales sólidos. Principalmente para la
cantidad, la hemicelulosa (10 a producción de metano.
b) Residuos agrícolas y forestales (lignocelulósicos), que al
34%). La celulosa es un polímero ser transformados en azúcares son una materia prima muy
lineal que está conformado versátil y sustentable para la producción de muy diversos
por el mismo tipo de azúcar productos de uso común.
(monosacárido) que es la c) Cultivos para la producción de energía, como maíz, trigo,
caña de azúcar y oleaginosas, que contienen aceites vegetales.
D-glucosa. La hemicelulosa es un Estos representan los biocombustibles de primera generación
hetero-poli-sacárido, conformada que, al competir con la producción de alimentos, no serían
por diferentes monosacáridos, con una opción sustentable a largo plazo.
pentosas (azúcares de 5 carbones) d) Cultivos no comestibles como: plantas perenes como el
Miscanthus (un pasto nativo de Asia), árboles de rápido creci-
como la xilosa, arabinosa y miento como el eucalipto, plantas con alto contenido de aceite
ramnosa, así como las hexosas como especies de la Jatropha o de algas oleaginosas que son
(azúcares de 6 carbones) glucosa, capaces de asimilar el CO2 ambiental, que son utilizadas en la
manosa y galactosa y, en menor producción de biodiesel.
proporción, contiene ácidos
urónicos. La lignina es un polímero ¿Qué son los residuos lignocelulósicos?
Los residuos agrícolas y forestales —que no se aprovechan
complejo donde se entrelazan para la alimentación o en otras industrias— son materiales
tres tipos de alcoholes que son el que contienen lignina, celulosa y hemicelulosa [ver recuadro];
para-cumarílico, el coniferílico y el en conjunto constituyen la reserva energética sustentable más
importante disponible actualmente ya que la vegetación es
sinapílico.
una parte fundamental del ciclo de carbono; la producción de
bioenergía a partir de biomasa vegetal, tiene un impacto me-
nor en la ‘huella de carbono’. Naturalmente, el CO2 atmosfé-
rico es asimilado por las plantas en la fotosíntesis, para su cre-
cimiento. A través de este proceso, impulsado por la energía
solar, agua y minerales, el carbono presente en la molécula de
CO2 atmosférico se transforma en tejido vegetal, constituido
principalmente por lignocelulosa presente en las paredes ce-
lulares que forman las fibras, las cañas y la madera. Árboles,
malezas y residuos agrícolas son las fuentes principales de la
biomasa lignocelulósica, con una producción mundial cerca-
na a los 180 mil millones de toneladas. De este total, se gene-
ran aproximadamente 4 mil seiscientos millones de toneladas
de residuos lignocelulósicos; de estos un 25 % se produce de
manera extensiva como insu-
mos de fácil acopio de donde
se podrían producir casi 700
millones de toneladas métri-
cas de etanol, lo que sustitui-
ría al 80% del consumo mun-
dial anual de gasolina [3]. El
reto actual consiste en hacer
económicamente viable la
generación y uso de estos
biocombustibles.
Para transformar estas ma-
terias primas en productos
útiles para generar energía
y otros productos con fer-
mentaciones microbianas,
primero es necesario la pro-
ducción misma de la bioma-
sa, su cosecha y recolección,
así como la preparación para
mejorar las características fí-
sicas del combustible. Luego
se requieren, tratamientos El M. en C. Raunel Tinoco Valencia
es Técnico Académico Titular; el
para liberar (“desprender”)
Dr. Leobardo Serrano Carreón
los azúcares que son los com-
es investigador y responsable
ponentes de la celulosa y la
de la Unidad de Planta Piloto y
hemicelulosa [ver pp. 15-18 Escalamiento en el IBt.
y 19-21 de esta edición espe-
cial] y finalmente, la conver- Referencias
sión microbiana de estos en 1. Noticias Parlamento Europeo
energía u otros metabolitos (2021). Economía circular: definición,
de interés industrial [ver pp importancia y beneficios. Disponible
Cáscara de arroz 22-25 en este Núm. 27]. Dentro de un modelo de economía en: <https://www.europarl.europa.
circular, los residuos orgánicos y el uso de plantas no comes- eu/news/es/headlines/
tibles son, sin duda, las materias primas más importantes para economy/
la producción sustentable de bioenergías. 20151201STO05603/economia-
En el año 2006 se estimaba que en México se producían alre- circular-definicion-importancia-y-
dedor de 75 millones de toneladas de materia seca de residuos beneficios>
agroindustriales, los cuales podrían ser utilizados para la ge- 2. IEA [International Energy Agency]
neración de bioenergías [4]. Los principales residuos son los (2017) “Catalyzing energy technology
rastrojos de maíz y sorgo, hojas, puntas y bagazo de la caña transformations (Part 2) & “Delivering
de azúcar y agave, la paja de trigo y la cascarilla de arroz. Sin sustainable bioenergy” (Chapter 7) in:
embargo, la disponibilidad de estos materiales para la genera- Energy Technology Perspectives 2017.
ción de bioenergías debe ser mejor organizada, incluyendo un Paris: IEA. Disponible en: <https://
manejo más sustentable, compatible con medidas ambienta- www.iea.org/reports/energy-
les y considerando usos integrales, ya que parte de éstos resi- technology-perspectives-2017>
duos también son reciclados en las tierras de cultivo o usados 3. Dahmen N, Lewandowski I, Zibek
como forraje para la producción animal. Otros residuos como S & Weidtmann A (2018). Integrated
el bagazo de caña, ya es usado directamente como biocom- lignocellulosic value chains in a
bustible en el proceso industrial de la producción de azúcar; growing bioeconomy: Status quo and
además, hay que tomar en cuenta que también se utilizan perspectives. CBG Bioenergy. 11: 107-
millones de toneladas de leña en los hogares. Actualmente, 117 DOI: 10.1111/gcbb.12586
existen tecnologías que pueden implementarse para la trans- 4. Valdez-Vazquez I, Acevedo-
formación de estos residuos en fuentes bioenergéticas como Benítez J, Hernández-Santiago C,
los biocombustibles líquidos (biodiesel y bioetanol) o gasesos, (2010) Distribution and potential of
como productos de la fermentación anaerobia (metano), que bioenergy resources from agricultural
pueden utilizarse directamente en la producción de electrici- activities in Mexico. Renew Sustain
dad en plantas termoeléctricas. Energy Rev 14: 2147-2153. DOI:
Contacto: leobardo.serrano@ibt.unam.mx 10.1016/j.rser.2010.03.034.
Las biorrefinerías
son plataformas sustentables
y más limpias
Estefanía Sierra Ibarra, Guillermo Gosset Lagarda y Alfredo Martínez Jiménez
¿Cómo disminuir la dependencia por el petróleo?
E
l petróleo es un recurso de origen orgánico, no renovable
y cuya existencia y múltiples usos datan de hace siglos.
Sin embargo, fue hasta mediados del siglo XIX cuan-
do cobró importancia la comercialización del petróleo
crudo y sus productos, principalmente en los EEUU,
donde fueron desarrollándose técnicas de extracción y des-
tilación, para producir gasolinas, solventes y la base de mu-
chos polímeros, inaugurando así las primeras refinerías. Estos
complejos industriales, presentes ahora en muchos países,
son lugares dónde se procesa el petróleo crudo para separar
sus derivados por medio de varios procesos fisicoquímicos.
La expansión y versatilidad de la industria petroquímica, ha
generado una dependencia del mundo hacia los derivados del
petróleo, principalmente a los combustibles y los materiales
plásticos. No es fácil imaginar nuestra vida cotidiana sin gaso-
lina para autos, sin gas para cocinar, sin envases y muebles de
plástico, sin solventes orgánicos o sin asfalto para pavimentar
calles. Sin embargo, recordemos que el petróleo es un recur-
so no renovable; tras décadas de explotación de pozos y re-
servas, su agotamiento es inaplazable. Además, la extracción
del petróleo, las refinerías y los procesos de combustión de
sus derivados generan gases
de efecto invernadero (GEI),
Podemos definir las biorrefinerías
que contribuyen significa-
tivamente al calentamiento como plataformas tecnológicas
global y directamente, al donde se generan diversos
cambio climático. Existen productos de interés a partir de
ahora alternativas más lim-
la biomasa, con base en procesos
pias y viables para mantener
la disponibilidad permanen- alternativos a los de las refinerías
te de fuentes energéticas y de petróleo tradicionales. La
demás recursos necesarios biomasa se define como el
para la economía mundial.
material biológico renovable
Estas alternativas deben fi-
nanciarse, escalarse e inte- proveniente de organismos vivos,
grarse a procesos sustenta- que pueden ser plantas, animales
bles a nivel mundial. Aunque o microorganismos, a diferencia de
actualmente debemos limitar
los recursos fósiles no renovables
Planta de fabricación de azúcar y etanol el consumo de hidrocarburos y así reducir las emisiones de
en Brasil GEI, el desarrollo e integración de tecnologías que permitan como el carbón mineral, el
reemplazar al petróleo como materia prima, es fundamental petróleo y el gas.
para reducir los daños frecuentes al medio ambiente. En este
contexto, diversos grupos de investigación en el mundo tra-
bajan en el desarrollo de tecnologías que se pueden integrar
bajo el concepto de biorrefinería.
¿Qué son las biorrefinerías?

Podemos definirlas como plataformas tecnológicas donde se
generan diversos productos de interés a partir de la bioma-
sa, con base en procesos alternativos a los de las refinerías de
petróleo tradicionales [Figura 1 y pp. 31-35, en este número].
La biomasa se define como el material biológico renovable
proveniente de organismos vivos, que pueden ser plantas,
animales o microorganismos, a diferencia de los recursos fó-
siles no renovables como el carbón mineral, el petróleo y el
gas. La estrategia de operación de las biorrefinerías actuales
Figura 1. Representación de algunas se basa en el empleo de materiales de desecho agroindustrial
fuentes (materia prima), procesamientos como materia prima, que permiten: (a) aprovechar recursos
y (bio)productos de una biorrefinería. considerados como residuos; (b) evitar la contaminación que
genera su desecho y (c) eludir un dilema ético que implicaría
destinar alimentos para sustituir los recursos fósiles. En este
contexto, las tendencias en la demanda de productos energé-
ticos y bioquímicos han impulsado que las biorrefinerías ha-
yan diversificado sus procesos de producción, generando una
amplia gama de productos clasificados en cuatro categorías:
biocombustibles (p. ej. bioetanol, biodiesel); electricidad (por
combustión de biogás, biohidrógeno o biomasa); bioproduc-
tos (solventes, cosméticos, pigmentos, etc.) y biomateriales
(bioplásticos y biocarbón). Analizando los modelos de sus-
tentabilidad económica y ambiental de una biorrefinería, la
biomasa con mayor disponibilidad es ideal para usarse en el
lugar donde se instalan estas plataformas. Por su diversidad
y abundancia de capital natural, México tiene un gran poten-
cial para explotar sus recursos de biomasa, reutilizándolos y
otorgándoles valor agregado; por ejemplo, bagazo de agave
proveniente de la industria tequilera y mezcalera , bagazo de
caña y rastrojo de arroz; asimismo, los residuos de maderas
como la de teca (Tectona grandis, ‘teak wood’) y de pino [1], así
como los desechos del maíz (olote y rastrojo) [2].
Los productos obtenidos de las biorrefinerías

Dentro de los compuestos de mayor interés producidos en las
biorrefinerías están los biocombustibles que, al igual que com-
puestos semejantes de origen fósil, sirven para motores de
combustión interna de automóviles, aeronaves y maquinaria.
Los biocombustibles más conocidos son bioetanol, biodiesel y
bioturbosina. El bioetanol o etanol carburante es tal vez el bio-
Las tendencias en la demanda
de productos energéticos y
bioquímicos han impulsado que las
biorrefinerías hayan diversificado
sus procesos de producción,
generando una amplia gama de
productos clasificados en cuatro
categorías: biocombustibles
(p. ej. bioetanol, biodiesel);
electricidad (por combustión
de biogás, biohidrógeno o
biomasa); bioproductos (solventes,
cosméticos, pigmentos, etc.)
y biomateriales (bioplásticos
y biocarbón). Analizando los
modelos de sustentabilidad
económica y ambiental de una
biorrefinería, la biomasa con
mayor disponibilidad es ideal
para usarse en el lugar donde se
instalan estas plataformas.
BIOCOMBUSTIBLE
combustible más estudiado en cuanto a producción y usos; se Ciclo de vida de biocombustibles de

produce a nivel industrial y se emplea como combustible de segunda generación. Producción de
automotores, como aditivo de la gasolina o puro . En general, bioetanol a partir de rastrojo de maíz,
los productos de biorrefinación pueden sintetizarse después bagazo de caña de azúcar, virutas y
de un proceso de descomposición o ‘desarmado’ de la bio- aserrín del procesamiento de maderas.
masa en componentes más simples, a través de calor, condi-
ciones ácidas y la acción de enzimas. Por ejemplo, por medio
del proceso de sacarificación que genera azúcares simples (se
explica en otros artículos de este número), se pueden generar
jarabes con abundancia de azúcares fermentables, que pue-
den ser usados como medio de cultivo de microorganismos.
Luego se prosigue con otra etapa clave: la fermentación, que
es llevada a cabo por microrganismos como algunas bacterias
o levaduras —normalmente modificados por ingeniería meta-
bólica— para la producción exclusiva o múltiple hacia com-
puestos como etanol, ácido acético, ácido láctico, etc.
Las biorrefinerías que utilizan Vista general de una biorrefinería
en Polonia
biomasa lignocelulósica
Para el establecimiento de las biorrefinerías, se debe conocer
la naturaleza específica de la materia prima (el tipo de bioma-
sa), con el fin de aplicar tratamientos previos y su conversión
en los productos deseados. En varios artículos de este número
se hará referencia a las biorrefinerías que utilizan lignocelulo-
sa proveniente de residuos agroindustriales y forestales. Estos
materiales contienen una mezcla estructurada de polímeros
de celulosa, hemicelulosa y lignina. Al degradar los dos pri-
meros se obtienen glucosa y xilosa, principalmente; por su
parte, la lignina es un polímero complejo de moléculas con
residuos fenólicos cuya degradación también se ha estudia-
do. A partir del tratamiento de los residuos lignocelulósicos
se obtienen jarabes que contienen otros compuestos de degra-
dación como el ácido acético y furanos [1-3] que, junto con los
derivados fenólicos de la lignina, pueden ser tóxicos para los
microorganismos fermentadores, por lo que se incluyen oca-
sionalmente procedimientos de detoxificación previos a una
fermentación [1]. Hay técnicas donde se añade cal hidratada,
para precipitar compuestos tóxicos y/o el tratamiento con
lacasas, enzimas que oxidan los compuestos fenólicos que, a
La Dra. Estefanía Sierra Ibarra
es investigadora posdoctoral
en el Consorcio de Ingeniería
Metabólica y Biología Sintética de
Microorganismos, y los Drs. Guillermo
Gosset Lagarda y Alfredo Martínez
Jiménez (editor invitado para este
Fermentadores para la producción su vez, pueden ser empleados en la síntesis de otros produc- número especial) son Investigadores
de bioetanol tos de valor agregado como vainillina, lignosulfonatos, ácido Titulares en el Departamento de
levulínico, ácido cinámico o resinas. Al final, para purificar, Ingeniería Celular y Biocatálisis del
concentrar o preparar productos comercializables, se emplean IBt.
procesos como destilación, deshidratación, secado, etc.
Referencias
La producción de bioetanol como estudio de caso 1. Sierra-Ibarra E, J Alcaraz-
Cienfuegos, A Vargas-Tah, A
Como parte de varios proyectos de I&D, en el estado de
Rosas-Aburto, Á Valdivia-López, MG
Morelos, hemos avanzado en el desarrollo de algunas cola- Hernández-Luna, E Vivaldo-Lima, A
boraciones reseñadas en este número, para la producción de Martinez (2021). Ethanol production
bioetanol a partir de cascarilla de arroz, donde nuestras cepas by Escherichia coli from detoxified
bacterianas productoras de etanol realizan los procesos de de- lignocellulosic teak wood hydrolysates
toxificación y fermentación de forma simultánea. El proyec- with high concentration of phenolic
to es un ejemplo de la utilización de biomasa lignocelulósica compounds. J Ind Microbiol & Biotech
disponible como recurso local, ya que el Estado de Morelos (preprint). DOI: /10.1093/jimb/
contribuye a la producción de este cereal. Además del bioe- kuab077.
tanol, existen otros compuestos que se pueden sintetizar en 2. Vargas-Tah A, CL Moss-Acosta, B
las biorrefinerías por la vía fermentativa, como es el caso del Trujillo-Martínez et al. (2015) Non-
lactato, un precursor para sintetizar polímeros usados como severe thermochemical hydrolysis of
plásticos biodegradables [3]. Tomando en cuenta los bene- stover from white corn and sequential
ficios económicos, ambientales y sociales, las biorrefinerías enzymatic saccharification and
son plataformas biotecnológicas en permanente crecimiento fermentation to ethanol. Bioresource
Technol 198:611-618. DOI: 10.1016/j.
y desarrollo. Por tanto, es necesario impulsar la investigación
biortech.2015.09.036.
aplicada, para el mejoramiento de los procesos ya existentes,
así como la innovación productiva y ampliar el suministro 3. Utrilla J, A Vargas-Tah, B Trujillo-
Martínez et al. (2016). Production of
continuo de productos indispensables, de alta calidad y con
D-lactate from sugarcane bagasse
una relación costo/beneficio competitivo, para mercados lo- and corn stover hydrolysates using
cales, regionales y globales, los cuales aún son dependientes metabolic engineered Escherichia
de recursos de origen fósil. coli strains. Bioresource Technol
Contacto: estefania.sierra@ibt.unam.mx, 220: 208-214. DOI: 10.1016/j.
biortech.2016.08.067.
guillermo.gosset@ibt.unam.mx, alfredo.martinez@ibt.unam.mx
Pretratamientos
de la
biomasa
para la
producción
de bioetanol
Karla Verónica Teymennet Ramírez y María R. Trejo Hernández
Una gran crisis y orígenes
de las alternativas energéticas
L
a demanda global de energía, así como el daño ambien-
tal ocasionado por la quema de combustibles fósiles ha
ido en aumento. Un momento crítico del consumo del
petróleo ocurrió a finales de 1973, cuando la economía
de países como EEUU, Canadá, Japón, Australia y va-
rios países de Europa occidental, se vio severamente afectada
por la decisión de la Organización de Países Exportadores de
Petróleo (OPEP), de controlar unilateralmente los suministros
de petróleo incluyendo embargos. Este suceso marcó un pun-
to de inflexión en el ámbito energético, ya que hizo patente la De acuerdo con la Secretaría de
gran dependencia al petróleo y la vulnerabilidad de muchos
países. Poco después, países miembros de la Organización
Energía (SENER), , el sector del
para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) cons- transporte en México utilizó en
tituyeron en 1974 la Agencia Internacional de Energía (AIE), 2019, arriba de 2 mil PetaJoules
cuyo objetivo ha sido asegurar el abastecimiento de petróleo y (Peta=1015, donde 1 PJ equivale
coordinar políticas energéticas globales enfocadas a la obten-
ción de energías confiables, asequibles y limpias. Asimismo,
a poco más de 227 millones de
derivado de la crisis petrolera, las diversas empresas depen- kilowatts-hora, o KWh), donde
dientes de los combustibles fósiles iniciaron una carrera hacia el autotransporte representó
el desarrollo e innovación de tecnologías energéticas alterna- cerca del 90% de ese consumo
tivas y sustentables [Figura 1]. Los motores de combustión in-
terna son las máquinas que más energía consumen mundial-
energético
mente. De acuerdo con la Secretaría de Energía (SENER), el
sector del transporte en México utilizó en 2019, arriba de 2 mil
PetaJoules (Peta=1015, donde 1 PJ equivale a poco más de 227
millones de kilowatts-hora, o KWh), donde el autotransporte
representó cerca del 90% de ese consumo energético [1]. Con-
secuentemente, la gasolina es el combustible más utilizado (y
ya hemos percibido efectos negativos con el desabasto), por
lo que es necesario seguir desarrollando sustitutos que sean
renovables y sustentables, considerando además que exista
compatibilidad con la infraestructura actual de almacena-
miento y distribución.
Evolución reciente de las fuentes energéticas

El bioetanol —el alcohol etílico obtenido biotecnológicamente
por fermentación de residuos orgánicos— ha surgido como
Figura 1. Las energías renovables se han
desarrollado para reducir la dependencia
por el petróleo y para contender con la
alta demanda energética global.
alternativa para su uso directo, o como mezcla con gasoli-
na (gasohol o gasól). El bioetanol producido a partir
del almidón de maíz o de la caña
de azúcar, se conoce como de
'primera generación', que se
produce a escala industrial. Sin
embargo, diversas controver-
sias en cuanto al uso del suelo
y el desvío en el suministro de
granos para alimento, impulsó
la generación del bioetanol de
'segunda generación' (2G), el cual se pro-
duce a partir de biomasa lignocelulósica, como las maderas Figura 2.
duras y blandas, residuos agrícolas y forestales, residuos só- Los azúcares separados (der.)
lidos domésticos e industriales, residuos de la industria ali- de la celulosa y hemicelulosa (centro),
mentaria, entre otros. Se ha mencionado que la biomasa con que provienen de residuos de biomasa
lignocelulosa de estos materiales está compuesta de lignina, vegetal (izq.) pueden ser utilizados por
celulosa y hemicelulosa formando una estructura altamente microorganismos para la conversión a
compleja y estable en las paredes celulares de los vegetales. etanol (Adaptado de Vasco-Correa et al.
Para que los azúcares provenientes de la celulosa y la hemi- 2019, Ref. 6).
celulosa puedan ser metabolizados por los microorganismos
fermentadores, deben ser liberados de las fibras y polímeros
de la lignocelulosa [Figura 2]. Este es el principal desafío para
la utilización de la biomasa lignocelulósica para la produc-
ción de bioetanol 2G, para lo cual necesita ser tratado previo
al proceso de bioconversión [2.3].
Comparemos pretratamientos físicos y/o

químicos vs. biológicos
El pretratamiento de la biomasa incluye varios procedimientos
técnicos que hemos optimizado para iniciar la biorrefinación.
Como proceso general incluye un pretratamiento fisicoquímico
de la biomasa, seguido de la ruptura de varios enlaces quími-
cos favorecido por enzimas hidrolíticas. La hidrólisis enzimá-
tica es un proceso que separa a la lignocelulosa en sus compo-
nentes, de tal manera que los azúcares de la glucosa inmersos
en la celulosa y la hemicelulosa quedan disponibles para su
transformación por fermentación, en alcohol. Los tratamientos
iniciales ayudan a aflojar o abrir las cadenas de la lignocelu-
losa y favorecer que puedan liberarse azúcares fermentables.
Estos pretratamientos pueden agruparse en cuatro categorías
Figura 3. Terminología de tipos

y tecnologías utilizados en el
pretratamiento de la biomasa
lignocelulósica (Adaptado de Tu & Hallet,
2019, Ref. 5).
losa
Figura 4 . (Adaptado de
de Teymennet-Ramírez
et al. 2020 [Ref 4.])
Las Dras. Karla Verónica Teymennet

Ramírez y María R. Trejo Hernández
(editora invitada para este número
especial,) son investigadoras en
el Centro de Investigación en
Biotecnología (CEIB) de la Universidad
técnicas como se ilustra en la figura 3; cada uno actúa de ma- Autónoma del Estado de Morelos
nera diferente sobre diferentes tipos de residuos, para romper
la compleja estructura de las paredes celulares con el objeto Referencias
de obtener distintos conjuntos de productos y rangos de ren- 1. SENER, Secretaría de Energía
dimiento. Como se ilustra en la Fig. 3, los tratamientos físicos (México). 2020. https://sie.
aprovechan fuerzas mecánicas o calor; los químicos, sustancias energia.gob.mx/bdiController.
do?action=cuadro&cvecua=IE7C05
que disuelven o reaccionan con la biomasa; los fisicoquímicos,
combinan ambos efectos y los biológicos, aprovechan la capa- 2. Sankaran R, Parra Cruz RA,
cidad de varias enzimas de (micro)organismos degradadores Pakalapati H et al. (2019). Recent
para 'desarmar' la estructura de los polímeros de la biomasa. advances in the pretreatment of
El trabajo de numeros@s microalgal and lignocellulosic
Hay variaciones en costos económicos y ambientales de cada
profesor@s-investigador@s método; es relevante mencionar que algunos tratamientos se- biomass: A comprehensive review.
en biología molecular y Bioresource Tech 298: 122476. DOI:
veros en la biomasa generan compuestos que inhiben los pasos
10.1016/j.biortech.2019.122476
biotecnología, ha logrado el posteriores de sacarificación y fermentación [Figura 4] y deben
de algún modo, retirarse o inactivarse [4,5]. 3. Tu WC, Hallett JP, (2019). Recent
mejoramiento de los organismos, advances in the pretreatment of
En lo que respecta a los pretratamientos biológicos, éstos
las enzimas y los procesos para emplean microorganismos (modificados y cultivados) que lignocellulosic biomass. Curr Op
la obtención de bioetanol de 2G, naturalmente degradan materia orgánica para llevar a cabo Green & Sustain Chem 27: 11-17, DOI:
10.1016/j.cogsc.2019.07.004
y tod@s coinciden en continuar la remoción de la lignina para liberar la celulosa. Los más
comúnmente usados son los denominados hongos de la pu- 4. Teymennet-Ramírez KV, Martínez-
ampliando la colaboración entre Morales F, Muñoz-Garay C, Bertrand B,
drición blanca o café. Los hongos de la pudrición café son
academia, productores/ industria capaces de degradar celulosa, mientras que los de la pudri- Morales-Guzmán D, Trejo-Hernández
y autoridades, para alcanzar ción blanca son capaces de degradar tanto celulosa como lig- MR, (2020). Laccase treatment of
phenolic compounds for bioethanol
soluciones más sostenibles en la nina, además de su bajo impacto ambiental, lo que convierte
production and the impact of these
producción de biocombustibles y a estos últimos en agentes adecuados para pretratamientos
compounds on yeast physiology.
biológicos. Durante este proceso, las condiciones necesarias
otros bioproductos. son consideradas “suaves”, lo que significa que no hay un
Biocatalysis & Biotransf DOI:
10.1080/10242422.2020.1856820
uso excesivo de energía, aunque requiere de tiempos largos
de desarrollo, lo que limita su aplicación a escala industrial. 5. Jönsson LJ, Alriksson B, Nilvebrant
NO (2013). Bioconversion of
El aprovechamiento y mejoramiento de enzimas derivadas
lignocellulose: inhibitors and
de estos hongos son líneas de investigación activas, ya que su
detoxification. Biotech for Biofuels 6:
utilización, evita el manejo de cultivos celulares para remover
16. DOI: 10.1186/1754-6834-6-16
la lignina, así como la aparición de algunos compuestos inhi-
bidores generados durante los pretratamientos fisicoquími- 6. Vasco-Correa J, Ge X, Li Y
cos [4, 5]. De esta forma, el trabajo de numeros@s profesor@s- (2016). “Biological pretreatment
of lignocellulosic biomass”, pp.
investigador@s en biología molecular y biotecnología,ha
561-585, In: (Mussato SI, ed.)
logrado el mejoramiento de los organismos, las enzimas y
Biomass Fractionation Technologies
los procesos para la obtención de bioetanol de 2G, y tod@s
for a Lignocellulosic Feedstock Based
coinciden en continuar ampliando la colaboración entre aca- Biorefinery (Chapter 24), Elsevier.
demia, productores/ industria y autoridades, para alcanzar DOI: 10.1016/B978-0-12-802323-
soluciones más sostenibles en la producción de biocombusti- 5.00024-4.
bles y otros bioproductos.
Contacto: karla.teymennet@uaem.mx, mtrejo@uaem.mx
SACARIFICACIÓN
Obtención de azúcares a partir
de biomasa en biorrefinerías
Eliseo R. Molina Vázquez, Adelfo Escalante Lozada y Alfredo Martínez Jiménez
La fermentación controlada que comúnmente llamamos

fermentación. Los microorganismos que
y sus productos
E
las realizan no pretenden alimentarnos
l queso, pan, pulque y vino son o embriagarnos, simplemente aprove-
alimentos ancestrales que han chan la energía y azúcares contenidos
acompañado a la humanidad en algunos sustratos para crecer y re-
desde el origen de las civilizacio- producirse; afortunadamente, la huma-
nes. De características disímiles nidad aprendió a sacar provecho de esta
y con un origen común, son productos actividad microbiana.
del azar y la necesidad, que debido a su Los azúcares son una fuente de ener-
diversidad y exquisitez protagonizan gía para los seres vivos y para poder
hoy la gastronomía occidental. ¿Quién aprovecharlos, éstos tienen que ser con-
pensaría que comunidades selectas de vertidos a moléculas más simples, a la
Figura 1. Representación de la obtención de energía microorganismos son responsables de vez que la energía contenida se captura
celular y sus subproductos: Respiración en presencia de dichos manjares? Porque son producto en la molécula de trifosfato de adeno-
oxígeno y fermentación en ausencia de oxígeno. de una ‘descomposición’ incompleta y sina (ATP), el ‘combustible de la vida’.
Cuando este proceso se lleva a cabo en
presencia de oxígeno, da lugar a la res-
piración a nivel celular y los productos
finales son dióxido de carbono (CO2),
agua y el ATP. Existen microorganismos
que naturalmente pueden usar azúcares
en ausencia de oxígeno, lo que estricta-
mente es la fermentación [Figura 1]. Los
productos de este proceso son ATP, CO2
y moléculas orgánicas simples: alcoho-
les (etanol, butanol, isopropanol y bu-
tanodiol) y/o ácidos orgánicos (láctico,
acético, fórmico, pirúvico y succínico).
Normalmente, los productos formados
en una fermentación dependen de los
microorganismos y azúcares emplea-
dos; p. ej., un grupo de bacterias deno- los denominados “Flex Fuel”, donde el
minadas ácido lácticas pueden fermen- etanol puede reemplazar a la gasolina
tar la lactosa, el azúcar presente en la casi en su totalidad (85%). Este tipo de
leche, para producir ácido láctico, que es tecnologías se han implementado exito-
responsable de la acidez de los quesos; samente en EEUU y en Brasil desde la
mientras que las levaduras, pueden usar década de los 70. En 2019 se produjeron
los azúcares contenidos en las harinas y allá 59 mil 810 y 32 mil 630 millones de
en las frutas para producir el CO2 que litros de bioetanol, respectivamente, lo
hace que los panes esponjen durante el que en conjunto equivale a dos veces el
horneado, y el etanol de los vinos, pul- volumen de la gasolina consumida en
que y de otras bebidas alcohólicas tradi- México ese mismo año. Adicionalmente,
cionales. en estos países, el precio del etanol es de
20 a 30% inferior al de la gasolina.
El uso del etanol como
biocombustible ¿Cómo se obtienen azúcares de
los residuos agrícolas?
El etanol es indudablemente el producto
de fermentación más conocido. Diferen- Los azúcares necesarios para la fermen-
tes naciones y culturas establecieron, de tación del bioetanol frecuentemente han
forma independiente, variados procesos procedido de cultivos alimentarios; en
de fermentación alcohólica. La huma- EEUU utilizan jarabes de glucosa pro-
nidad le ha dado diversos usos, como venientes del maíz, mientras que Brasil
elíxires para festejos ceremoniales, como lo hace a partir de sacarosa de caña de
antiséptico en curaciones, acarreador de azúcar, la misma que se utiliza en mu-
Normalmente, los productos formados delicadas fragancias de los perfumes, chas circunstancias para endulzar ali-
en una fermentación dependen de los catalizador social en forma de bebidas mentos. No obstante, existen dos gran-
embriagantes y actualmente, por la des impedimentos para implementar
microorganismos y azúcares empleados; p.
pandemia, en alcohol-gel al 70%, como globalmente el uso de bioetanol: por un
ej., un grupo de bacterias denominadas ácido desinfectante usado a nivel mundial. lado, diferentes regiones del mundo tie-
lácticas pueden fermentar la lactosa, el azúcar Sin embargo, su aplicación más prome- nen carencias alimentarias, por lo que
presente en la leche, para producir ácido tedora radica en ser usado masivamente no es éticamente aceptable destinar cul-
como biocombustible. tivos alimentarios para la producción de
láctico, que es responsable de la acidez de los
Hoy en día, la gasolina es el combus- biocombustibles; por otro, la demanda
quesos; mientras que las levaduras, pueden tible líquido mayormente usado en el de combustibles es tan alta que no po-
usar los azúcares contenidos en las harinas y planeta. De acuerdo con la Secretaría dríamos destinar más tierras cultivables
en las frutas para producir el CO2 que hace que de Energía (SENER) en 2019, en Méxi- para la producción de bioetanol. Afortu-
co se consumieron aproximadamente nadamente existen otras fuentes de azú-
los panes esponjen durante el horneado, y el
44 mil 880 millones de litros de gasolina cares que podemos utilizar. Los residuos
etanol de los vinos, pulque y de otras bebidas ¡Este volumen podría llenar 27 estadios agroindustriales son la materia prima
alcohólicas tradicionales. Azteca! Pero este enorme consumo de que tenemos que saber aprovechar. Por
gasolina es ecológicamente insosteni- cada kilogramo de arroz, maíz o trigo
ble para nuestro planeta, debido a los producido se generan entre uno y dos
contaminantes que genera; además ya kg de residuos como cascarilla, olotes o
se ha dicho repetidamente: el petróleo a paja. Es decir, en el campo se producen,
partir del cual se refina, es un recurso no por peso, más residuos que alimentos.
renovable cuyas reservas mundiales se Lo irónico es que estos residuos están
estima que serán agotadas en los próxi- compuestos en gran parte por azúcares
mos 50 años. La humanidad requiere de fermentables, pero que se encuentran
combustibles que sean renovables y en atrapados en la estructura compleja y
este sentido, el bioetanol (etanol carbu- resistente de la lignocelulosa (ver pp.
rante con una pureza del 99.5%) es el 19-21 en este número), compuesta prin-
combustible renovable que ha tenido cipalmente de: i) lignina, el principal
mayor aceptación a escala global. Prin- responsable de la dureza de estos ma-
cipalmente, porque puede utilizarse en teriales, ii) hemicelulosa, formada por
prácticamente cualquier automóvil de una mezcla de distintos azúcares y iii)
combustión interna al combinarse en di- celulosa, que contiene exclusivamente
ferentes porcentajes con gasolina (10 al glucosa. Por una parte, la celulosa es la
20%), que apunta a una transición tec- fracción más importante de los materia-
nológica hacia un nuevo tipo de vehícu- les lignocelulósicos, ya que representa
Figura 2. Esquema de los procesos enzimáticos de
sacarificación de la celulosa. Nótese el tipo de actividad
(cortes) que realiza cada tipo de celulasa.
Por cada tonelada de paja y cascarilla de entre el 30 y 50% de su composición y das de celulosa; al procesar esta mate-
es la fuente principal para obtener los ria prima en una biorrefinería rendirían
arroz se pueden obtener respectivamente, azúcares que pueden convertirse en hasta 354 millones de toneladas de glu-
350 kg y 400 kg de celulosa, lo que sugiere bioetanol. En las reacciones bioquímicas cosa. Más aún, si esta glucosa hubiese
que, partiendo de los 900 millones de para degradar la celulosa se requiere sido utilizada para producir bioetanol,
toneladas generados en 2019, se generarían utilizar al menos tres enzimas distintas se podrían haber producido aproxima-
llamadas celulasas, las cuales actúan de damente 195 mil 642 millones de litros
potencialmente, 322 millones de toneladas de forma colaborativa como ‘tijeras’ en un de bioetanol, lo que equivale a más del
celulosa; al procesar esta materia prima en una proceso denominado sacarificación [Fi- doble del etanol producido por Estados
biorrefinería rendirían hasta 354 millones de gura 2]. Primeramente, las endogluca- Unidos y Brasil ese mismo año. En Mé-
toneladas de glucosa. Más aún, si esta glucosa nasas —enzimas encargadas de romper xico se han ido desarrollando procesos
desde el interior las cadenas de celulo- de sacarificación eficientes a nivel labo-
hubiese sido utilizada para producir bioetanol, sa— realizan cortes que generan que ratorio, los cuales no han sido escalados
se podrían haber producido aproximadamente la estructura se desordene y se formen ni implementados a nivel industrial,
195 mil 642 millones de litros de bioetanol, ‘extremos libres’. Enseguida las exoglu- pero es clara la posibilidad de obtener
lo que equivale a más del doble del etanol canasas, son enzimas que cortan a la buenos rendimientos de generación de
celulosa desde los extremos y avanzan glucosa y azúcares fermentables pro-
producido por Estados Unidos y Brasil ese continuamente liberando pequeñas ca- venientes de diversos residuos agroin-
mismo año. denas compuestas de dos moléculas de dustriales que abundan en nuestro país.
glucosa, que posteriormente se rompen Además, es ya técnicamente viable utili-
en sus unidades individuales por la ac- zar estos azúcares como materia prima
ción de un grupo de enzimas llamadas en la producción de bioetanol u otros
β-glucosidasas [1]. productos de fermentación. En una es-
trategia de transición energética, con la
participación de varios tipos de ener-
La integración tecnológica hacia
gías renovables, los biocombustibles a
una biorrefinación sustentable partir de biomasa lignocelulósica deben
El arroz es uno de los pilares alimenti- contribuir a sustituir combustibles fó-
El M. en C. Eliseo R. Molina Vázquez es alumno de cios de la humanidad y en 2019 se pro- siles líquidos. Sin embargo, todavía se
doctorado del programa de Posgrado en Ciencias dujeron 750 millones de toneladas de requieren optimizar métodos y tecnolo-
Bioquímicas y los Drs. Adelfo Escalante Lozada y este grano. Durante su cosecha se gene- gías —desde la obtención del residuo, la
Alfredo Martínez Jiménez (editor invitado en este ra la misma cantidad de paja de arroz misma sacarificación, hasta la distribu-
número especial), son Investigadores Titulares en (hojas y tallos), mientras que en el pro- ción del biocombustible— con el fin de
el Departamento de Ingeniería Celular y Biocatálisis ceso de descascarillado se produjeron integrar procesos sustentables y econó-
del IBt. 150 millones de toneladas de cascarilla. micamente viables, e implementar estos
Por cada tonelada de paja y cascarilla de procesos a escala industrial.
Referencias arroz se pueden obtener respectivamen-
1. Wilson, D. B. (2009). “Cellulases”, pp. 252–258 In: te, 350 kg y 400 kg de celulosa, lo que Contacto: eliseo.molina@ibt.unam.mx,
Encyclopedia of Microbiology. Academic Press. DOI: sugiere que potencialmente, no se están adelfo.escalante@ibt.unam.mx
10.1016/B978-012373944-5.00138-3 aprovechando 322 millones de tonela- alfredo.martinez@ibt.unam.mx
Buscando y mejorando
microorganismos
para producir
biocombustibles
Fernando Martínez Morales
Una prospectiva
L
sobre los biocombustibles
as políticas públicas globales para
enfrentar el cambio climático de-
mandan una transición hacia el
uso de energías compatibles con
el medio ambiente, con una pro-
ducción económica ‘circular’ así como de acti-
vidades y beneficios sociales incluyentes; es decir
de manera sustentable. Como una de las estrategias
para lograrlo se inserta la propuesta de generar y utilizar biocombustibles (bioenergía a partir
de biomasa). Tomando en cuenta las proyecciones de organismos multilaterales como la IEA
[1], se estima que para 2050 los biocombustibles cubrirán un tercio de la demanda mundial de
energéticos, aunque esto sugiere que aún existe una brecha tecnológica por cubrir. A pesar del
creciente número de patentes relacionadas con la producción de biocombustibles (3 mil paten-
tes de 2002 a 2008), hay otros indicadores relacionados a su madurez tecnológica e integración
económica que permiten dar seguimiento a su evolución [2].
¿Cómo se aprovechan
las fermentaciones?
Diversos microorganismos
clasificados como bacterias,
hongos (del tipo levadura)
y algunas microalgas pue-
den producir
biocom-
bustibles
como el
bioeta-
n o l ,
biodie-
sel, e in-
cluso hi-
drógeno bimolecular, (H2) o
biohidrógeno de origen orgá-
nico, debido a sus capacida-
des para fermentar azúcares
y generar varios subproduc-
tos. Los procesos fermentati-
vos —que como se ha men-
cionado, se llevan a cabo
Células de levadura sin la participación del
oxígeno y la ‘respiración
celular’— se han estudiado de tiempo atrás, por ejemplo, en el pul-
que. Este es una bebida alcohólica tradicional en México, producto de la fermenta-
ción de la savia del maguey —de varias especies de agaves— por la presencia de
una comunidad de microorganismos que emplean a los azúcares generados por
la planta. Entre ellos, la bacteria Zymomonas mobilis y la levadura Saccharomyces
cerevisiae son los principales microorganismos que se encuentran en el pulque. Su
rastro se ha detectado en utensilios hallados en zonas arqueológicas de algunas
sociedades prehispánicas mesoamericanas (ver BiotecMov Núm. 9). Para continuar
hablando de biocombustibles como el bioetanol, empleamos como referencia a es-
tos dos organismos por ser de los mejor caracterizados y aprovechados; entonces
se pueden usar estrategias similares para el mejoramiento de la producción de
etanol en otros microorganismos de importancia agroindustrial; además Z. mobilis
y S. cerevisiae son organismos no patógenos que pueden ser manipulados sin re-
presentar riesgos biológicos [3]. La microbiología industrial ha utilizado estos dos
modelos biológicos (unicelulares) para comprender las distintas rutas metabólicas
de las fermentaciones en diversas especies y cepas microbianas; las distintas ‘vías
fermentativas’ generan compuestos únicos o mezclas, pero comparten en común
etapas como el transporte de los azúcares al interior de la célula, su incorporación a
una ruta metabólica fermentativa —a una secuencia particular de reacciones enzi-
máticas— y, generalmente, la liberación al medio de cultivo del/ los productos(s)
finales. Para la producción industrial de biocombustibles, cada una de estas etapas
presenta retos para incrementar la producción de manera eficiente y redituable.
Partiendo de azúcares como materia prima para las fermentaciones

Ya se ha mencionado que las fuentes de azúcares son diversas, ya que estos
carbohidratos se encuentran de forma libre —por ejemplo, en las frutas— o for-
mando polímeros (cadenas) como en la estructura del almidón de las semillas,
la celulosa de los tejidos de plantas, la quitina en las cubiertas de insectos, crus-
táceos y varios hongos y otros recubrimientos o depósitos en las macroalgas.
Los microorganismos fermentativos participan activamente en la degradación
bioquímica de estos polímeros al producir enzimas que son liberadas fuera de
las células. Las celulasas, las quitinasas y las agarasas por ejemplo, son algunas
de las enzimas utilizadas para generar ‘azúcares libres’; éstos deben ser ingresa-
Figura 1. Las fuentes de azúcares que aprovechan los dos al interior de la célula con la participación de proteínas transportadoras de
microorganismos fermentativos se generan por enzimas azúcares [2]. En el interior de la célula los diferentes tipos de azúcar son degra-
que degradan cadenas de polímeros. Los azúcares libres dados (decimos catabolizados, porque se recupera su energía almacenada), por
son transportados al interior de la célula y 'desarmados' un conjunto de enzimas agrupadas en rutas metabólicas que asemejan una línea
por otros pasos enzimáticos interconectados que resultan industrial de ‘desarmado en serie’, que están reguladas por señales metabólicas
en productos de fermentación. Estas rutas metabólicas (ingreso de sustratos, baja de energía, exceso de productos, etc.) y que en este
pueden ser modificadas o transplantadas —total o caso, da como producto final el alcohol etílico o etanol [Figura 1]. Zymomonas y
parcialmente— de una especie microbiana a otra por Saccharomyces emplean vías distintas para metabolizar glucosa, lo cual implica
ingenierías metabólica y genética. que poseen enzimas y productos específicos. Por su parte, las bacterias Escheri-
a b c
chia coli (del tipo no-patogénica) son microorganismos que crecen en el intestino
Figura 2. Las rutas metabólicas de diversos
humano y que naturalmente, producen distintos ácidos orgánicos producto de
microorganismos aislados de (a) productos fermentados;
una fermentación llamada ácido-mixta. Varios grupos de investigación han lo-
(b) de suelos donde se degrada biomasa, o (c) bajo
grado transferir genes de Zymomonas y de otros microorganismos fermentativos
condiciones de selección artificial en laboratorio, pueden
en E. coli y hacer que éstas produzcan etanol en cultivos. En nuestros labora-
transferirse a microorganismos de uso industrial en la
torios han proliferado proyectos para emplear la ‘ingeniería metabólica’ como
producción de biocombustibles.
una herramienta para obtener nuevas cepas de microorganismos con mejores
capacidades de fermentación.
¿Qué características del proceso se deben seguir mejorando?

Actualmente la lista de moléculas orgánicas que pueden ser producidos por mi-
croorganismos modificados es amplia, muchas de los cuales son usados como
biocombustibles. No obstante, el escalamiento y la producción biotecnológica de
estos productos, presenta algunos cuellos de botella. Por ejemplo, en un momento
dado del crecimiento en cultivo, algunos ‘metabolitos’ —que son productos gene-
rados durante la degradación enzimática— pueden intoxicar al mismo microor-
ganismo que lo produce, disminuyendo su capacidad fermentativa o liquidarlo.
regulación solventes
bioproceso
bebidas genética
alimento
animal
bacterias
panificación
bioetanol fermentación
carburante
cerveza
enzimas
vinificación regulación
probióticos ácido metabólica
láctico
En este caso, se requiere seleccionar cepas que toleren mayor concentración del
El Dr. Fernando Martínez Morales es investigador del producto inhibidor. Hay diversas estrategias experimentales desarrolladas en Mé-
Centro de Investigación en Biotecnología (CEIB) de la xico utilizando ya sea una ‘presión de selección’ sobre los organismos o bien, una
Universidad Autónoma del Estado de Morelos. ‘evolución dirigida’ sobre ciertas proteínas involucradas. En el primer caso se pre-
paran cultivos donde se incrementa gradualmente la concentración del potencial
Referencias inhibidor y, aunque muchas células mueren, habrá espontáneamente células que
1. IEA [International Energy Agency] <http://www. sobrevivan y que serán probablemente, más tolerantes debido a alguna mutación
iea.org> o adaptación metabólica que les permite contender con una mayor concentración
2. Fermentation Microbiology and Biotechnology del compuesto probado.
(2020). El-Mansi EMT, J Nielsen, D Mousdale & RP
Carlson, Eds., 4th Ed., CRC Press. ISBN 9780367656706.
Nuevos microorganismos, nuevas rutas y enzimas resilientes
3. Escalante A, DR López Soto, JE Velázquez Gutiérrez,
En ambientes extremos como los desiertos, la Antártica y las ventilas hidrotermales
M Giles-Gómez, F Bolívar, A López-Munguía (2016).
en el fondo del mar, se han detectado o aislado comunidades de microorganismos
Pulque, a traditional Mexican alcoholic fermented
(denominados extremófilos) que sobreviven en esas condiciones y que fermentan
beverage: historical, microbiological, and technical
el mismo tipo de azúcares. El organismo completo y sus enzimas pueden soportar
aspects. Front Microbiol 7: 1026, DOI:10.3389/
condiciones muy rigurosas de calor, acidez o salinidad. Esto ha servido para apro-
fmicb.2016.01026
vechar tal fortaleza estructural/ funcional de ciertas enzimas de extremófilos para
4. Schalck T, Van den Bergh B, Michiels J la producción de biocombustibles y para otros procesos necesarios para producir o
(2021). Increasing solvent tolerance to improve ahorrar energía. Asimismo, existen iniciativas para desarrollar sistemas artificiales
microbial production of alcohols, terpenoids and de fermentación, utilizando un conjunto de componentes modificados y simpli-
aromatics. Microorganisms 9: 249. DOI: 10.3390/ ficados (enzimas, reguladores, membranas, etc.), que harían más fácil, rentable y
microorganisms9020249 limpia, la producción de biocombustibles.
5. Fujiwara K, Adachi T, & Doi N (2018). Artificial cell
fermentation as a platform for highly efficient cascade
conversion. ACS Synthetic Biology 7: (2) 363-370. DOI:
10.1021/acssynbio.7b00365
Contacto: fernandomm@uaem.mx
Retos
actuales
para la
producción de
biocombustibles
Karla Verónica Teymennet Ramírez y María R. Trejo Hernández
Combustibles procesados para producir Una realidad presente y cambiante
E
bioenergía a partir de biomasa
s un hecho que la gran dependencia mundial por los combustibles fósiles ha
provocado diversos efectos negativos que incluyen: la disminución creciente
de las reservas petroleras, el deterioro de la calidad del aire y la contami-
nación de agua y suelo. Esta combustión masiva y acelerada contribuye al
incremento en la temperatura global y con ella alteraciones climáticas cada
vez más riesgosas. Una primera alerta implica un compromiso inaplazable, ya que
El reto en el sector energético es desarrollar se estima que el suministro de petróleo crudo, considerando la actual velocidad de
consumo, sólo podrá mantenerse por algunas décadas más. Ya se ha argumentado
tecnologías que permitan obtener en los artículos de este número, por qué es urgente el desarrollo de sustitutos de
biocombustibles de ‘segunda generación’ a gasolina, utilizando fuentes renovables que se ajusten rápidamente a los sistemas
partir de biomasa lignocelulósica, derivada de actuales de suministro y distribución, de varios otros recursos indispensables para
desechos orgánicos. proveer de condiciones de vida aceptables a la población mundial.
Enseguida, es importante mencionar que la estrategia de usar eficientemente los
recursos renovables no interfiere con las que buscan avanzar en la seguridad ali-
mentaria, no utilizando granos o terrenos agrícolas dedicados a la alimentación.
El reto en el sector energético es desarrollar tecnologías que permitan obtener bio-
combustibles de ‘segunda generación’ a partir de biomasa lignocelulósica, derivada
de desechos orgánicos. Habiendo repasado las diferentes etapas que se requieren
para la generación del bioetanol de esta naturaleza, se ha explicado la secuencia
de etapas para esta transformación de la lignocelulosa: el pretratamiento para des-
armar los polímeros que la constituyen, la sacarificación para extraer los azúcares
fermentables y la optimización de la fermentación para la generación —en este caso
concreto— de bioetanol o alcohol carburante. Como cada una de estas etapas se
Figura 1. Etapas de la producción de bioetanol por BPC
(izq.) en comparación con bioprocesos secuenciales (der.)
La secuencia de etapas para la transformación realiza de manera independiente, esto incrementa los tiempos y costos de produc-
ción. Afortunadamente, se ha ido desarrollando un enfoque integrado en una única
de la lignocelulosa son: el pretratamiento etapa, denominado Bioproceso Consolidado (BPC), que incluye la hidrólisis de la
para desarmar los polímeros que la lignocelulosa, la detoxificación de los productos hidrolizados (recordemos la elimi-
constituyen, la sacarificación para extraer nación de acetatos, furanos y compuestos fenólicos) y la fermentación misma de los
los azúcares fermentables y la optimización azúcares [Figura 1]. Un BPC permitiría la disminución de los costos de producción
de bioetanol y de otros biocombustibles, debido a un procesamiento más simplifi-
de la fermentación para la generación —en cado e integral de la materia prima, la disminución de consumos energéticos y sus
este caso concreto— de bioetanol o alcohol altas eficiencias de bioconversión. Sin embargo, aún quedan cuestiones por resolver
carburante para lograr que el BPC sea una aplicación rentable económicamente y escalable
desde el punto de vista técnico; es decir, que pueda hacerse de mayor tamaño —del
matraz al biorreactor experimental, a los tanques industriales— y con mejores o
similares rendimientos. Por ahora uno de los principales cuellos de botella para la
aplicación del BPC es la búsqueda u optimización de microorganismos adecuados
para la producción de bioetanol bajo estas condiciones.
GASOHOL
BIODIESEL
Figura 2. Los microorganismos adecuados para
el BPC deben poseer la capacidades genéticas y
metabólicas para la detoxificación de los hidrolizados (de
lignocelulosa), su sacarificación y la(s) fermentación(es)
en una sola misma etapa.
¿De dónde obtenemos microorganismos ideales para el BPC?

Hasta hoy, nadie ha aislado en la naturaleza un microorganismo (o comunidad
microbiana) que posea o sea capaz de producir adecuadamente las enzimas nece-
sarias para la producción de bioetanol, mientras al mismo tiempo lleva a cabo la
sacarificación de la lignocelulosa. Es probable que no existan organismos tan versá-
tiles de forma individual, así que la opción es hallar comunidades microbianas que
degraden y fermenten juntas, o bien, aprovechar la investigación en bioingenie-
rías (genética, metabólica, química) para diseñar y 'ensamblar' un microorganismo
como parte del enfoque y técnicas de la biología sintética. Inicialmente se buscan
candidatos que, de manera natural, puedan producir ya sean las enzimas necesa-
rias para la degradación de celulosa o sean capaces de convertir los azúcares en
Células de levadura etanol. Después de una selección completa, es posible hacer planes para desarrollar
y optimizar las capacidades de organismos receptores, modificados genéticamente,
que contengan las características necesarias para el BPC [Figura 2]. Aunque se ha
estudiado a una gran variedad de microorganismos para la producción de etanol,
usualmente es la levadura Saccharomyces cerevisiae una opción preferencial. El atrac-
tivo de S. cerevisiae incluye la ‘facilidad como sistema biológico para la modificación
genética y donde su estatus como organismo GRAS (Generally Regarded As Safe, o
“generalmente considerado seguro”) elimina los riesgos sanitarios. Como las leva-
duras son capaces de producir las enzimas provenientes (de los genes) de otros or-
Fermentadores para la generación de biocombustibles
Figura 3. Despliegue de enzimas en la pared celular de
levadura para la hidrólisis enzimática y producción de
bioetanol (Adaptado de Hasanuma & Kondo [Ref. 3])
ganismos, recientemente, se han obtenido levaduras tolerantes a diversos inhibido-

res presentes durante el proceso; otras que son capaces de crecer y producir etanol,
Las Dras. Karla Verónica Teymennet Ramírez y
bajo condiciones severas que son típicas en el proceso de producción de bioetanol
María R. Trejo Hernández (editora invitada para este
número especial,) son investigadoras en el Centro de segunda generación: alta temperatura, exceso de iones salinos, incremento de la
de Investigación en Biotecnología (CEIB) de la concentración de etanol y de compuestos tóxicos.
Universidad Autónoma del Estado de Morelos
Innovaciones hacia el bioproceso consolidado
Referencias Al inicio del BPC es necesario, tal y como se ha explicado con respecto a la lignoce-
1. Bertrand B, Trejo-Hernández MR, Morales-Guzmán lulosa, que se pueda sacarificar esta materia prima, lo que normalmente ocurre de
D, Caspeta L, Suárez-Rodríguez R, Martínez-Morales forma extracelular por medio de enzimas hidrolíticas que actúan en la superficie de
F (2016). Functional expression, production, and esta matriz de polímeros. Para integrar esta etapa en presencia de las levaduras, a
biochemical characterization of a laccase using yeast éstas se les ha conferido la capacidad de sintetizar y 'desplegar' algunas enzimas ce-
surface display technology. Fungal Biol 120(12):1609- lulolíticas en su parte exterior [Figura 3]. Es decir, esta innovación permite producir
1622, DOI: 10.1016/j.funbio.2016.08.009 e inmovilizar las enzimas de interés en la pared celular de la levadura, lo que genera
2. Cripwell RA, Favaro L, Viljoen-Bloom M, van Zyl WH un sistema de biocatálisis compuesto. Recientemente, varios grupos de I&D han lo-
(2020). Consolidated bioprocessing of raw starch to grado el ensamblaje in vivo e in vitro de celulasas desplegadas en la pared celular de
ethanol by Saccharomyces cerevisiae: Achievements levaduras, de forma que mientras las enzimas pegadas a la pared celular degradan
and challenges. Biotechnol Adv 42:107579. DOI: la celulosa, la levadura es capaz de convertir en etanol los azúcares que se van libe-
10.1016/j.biotechadv.2020.107579 rando, permitiendo acercarse un poco más a la integración de etapas y al BPC con
pequeñas refinerías celulares capaces de elaborar bioetanol [3,6]. Esta innovación
3. Hasunuma T, Kondo A (2012). Development of admite además mejoras económicas y operativas. Por ejemplo; las enzimas celulolí-
yeast cell factories for consolidated bioprocessing ticas que son inmovilizadas en la superficie celular se mantienen estables y activas,
of lignocellulose to bioethanol through cell surface mientras que las levaduras sigan creciendo y, asimismo, las células con las enzimas
engineering. Biotechnology Adv 30(6):1207-18. DOI: desplegadas en superficie pueden ser fácilmente recuperadas y reutilizadas, lo cual
10.1016/j.biotechadv.2011.10.011 disminuye los costos de propagación de levaduras, así como la adición constante
4. Liao J, Pontrelli S, Luo S (2016). Fuelling the future: de enzimas. En el laboratorio de Biotecnología Ambiental del CEIB-UAEM se han
microbial engineering for the production of sustainable expresado funcionalmente, enzimas oxidorreductasas del grupo de las lacasas en
biofuels. Nat Rev Microbiol 14: 288–304. DOI: 10.1038/ el sistema de despliegue en superficie. Este sistema de expresión, con las lacasas
nrmicro.2016.32 desplegadas, tiene el potencial para oxidar a los compuestos fenólicos libres que no
5. Olguin-Maciel E, Singh A, Chable-Villacis R, Tapia- están polimerizados en lignina, y que se generan durante los tratamientos termo-
Tussell R, Ruiz HA (2020). Consolidated bioprocessing, químicos de la biomasa, reduciendo su toxicidad. Existe la posibilidad de reusarlas
an innovative strategy towards sustainability hasta 6 veces manteniendo el 50% de actividad [1].
for biofuels production from crop residues: an El BPC es una estrategia que tiene un gran potencial tanto para la producción de
overview. Agronomy. 10(11): 1834. DOI:10.3390/ bioetanol a escala industrial como para la producción de otros biocombustibles. Su
agronomy10111834 enfoque es interdisciplinario y por ello congrega la participación de disciplinas y
6. Tabañag IDF, Chu IM, Wei YH, Tsai SL (2018). The centros de investigación involucrados en biotecnología moderna, ciencias ómicas
role of yeast-surface-display techniques in creating (proteómica, genómica, metabolómica) y bioingenierías, que son cruciales para ob-
biocatalysts for consolidated bioprocessing. Catalysts tener procesos sustentables y rentables para contender con la demanda energética
8(3): 94. DOI:10.3390/catal8030094 actual y futura.
Contacto: karla.teymennet@uaem.mx, mtrejo@uaem.mx
Emiliano Balderas y Luis Caspeta
Cadenas de valor:
de la refinería actual
a las biorrefinerías
Emiliano Balderas y Luis Caspeta
L
Figura 1 Elementos de la cadena de valor a cadena de valor de una biorrefinería, al igual que para cualquier industria, se define
en PEMEX: (A) Plataforma de extracción como un conjunto interrelacionado de actividades generadoras de valor para los pro-
en el Golfo de México. (B) Refinería de ductos finales. Actividades que van desde la obtención de materias primas hasta que el
Salina Cruz, Oax. (C) Estación de control producto acabado es entregado al consumidor final. También se incluyen las actividades
de válvulas y ductos. (D) Abastecimiento de postventa y postproducción como recolección, reciclaje y tratamiento de residuos
de camiones cisterna (pipas). (E) Equipos generados por los procesos de producción o la disposición final del producto. Así que el valor
y cuadrillas para restauración de suelos acumulado de un producto, en los eslabones de la cadena de valor, establece lo que se deno-
contaminados. (F) Expendio concesionado mina el ‘esquema de costos’ que se refleja en lo que los consumidores están dispuestos a pagar
de gasolinas y diesel, (Fotos: @Pemex). por aquél. En esta aportación se presenta cómo dar valía a los procesos de producción de
biocombustibles producidos en biorrefinerías. Para esto echaremos un vistazo a la cadena de
valor de una refinería y luego comprenderemos la de una biorrefinería. Finalmente analizare-
mos las actividades que dan más valía a una biorrefinería.
Primer vistazo: ¿qué es una refinería y cuáles son sus cadenas de valor?
Considerando que hay equivalencias entre los productos de una refinería y una biorrefinería,
primero revisaremos la cadena de valor de la refinería convencional de petróleo. Para esto nos
enfocaremos en la infraestructura de refinerías de la empresa estatal PEMEX (Petróleos Mexi-
canos). En su página web oficial se presentan imágenes sorprendentes de sus instalaciones in-
fraestructura, recursos humanos y diversas actividades [Figura 1]. También información sobre
diversas actividades que dan valor a la empresa y a los productos que genera. En resumen,
una refinería representa un tipo de desarrollo industrial gigantesco, por las dimensiones enor-
mes de sus torres, tanques y redes de tuberías (Figura 1A). En esta infraestructura se convierte
el petróleo en diversos productos que van desde las gasolinas, el diésel y la turbosina para el
transporte terrestre, aéreo y marítimo; el gas licuado de petróleo (LP) para las cocinas y la cale-
facción; el etileno, el metano y el hexano para la síntesis de todo tipo de plásticos; el amoníaco,
el azufre y la urea para los fertilizantes usados en la agricultura; así como toda una gama de
aceites lubricantes y otras materias primas. Cada una de las transformaciones que se aplican
al petróleo para obtener estos derivados, acumulan valor a través de la cadena productiva en
este sector. En el caso de PEMEX, la cadena de valor empieza con la obtención de materias pri-
mas. Ésta incluye las tareas de exploración, perforación y extracción de petróleo [Figura 1B].
Actividades que además le permiten ofrecer servicios de asesoría a otras empresas del ramo o
de otros giros relacionados.
La cadena se extiende hasta que el producto llega al consumidor final. Así que PEMEX cuen-
ta con actividades para distribuir sus productos al consumidor final [Figura 1C, 1D]. Dispone
de una red de ductos y camiones cisterna para transportar los combustibles a las estaciones
de venta, donde se expenden junto con sus aceites lubricantes. Un elemento que también es
muy importante en la cadena de valor de una empresa con actividad industrial es su cartera
de proveedores, clientes e inversionistas. Por ejemplo, PEMEX cuenta con un listado de ¡1,323
proveedores!, eso sin incluir a sus clientes e inversionistas. Para concluir este breve recorri-
Figura 2. Comparación entre las do, nos faltan las actividades de posproducción/postventa. Esta industria es cada vez más
cadenas de valor de una refinería (A, consciente de los problemas causados por la contaminación que generan sus procesos de ex-
en color naranja) y de una biorrefinería tracción, transporte y producción o bien, la disposición final de sus desechos. En ese sentido,
(B en verde); ambas requieren de PEMEX ha desarrollado algunos proyectos de descontaminación de suelos afectados por las
procedimientos comunes para su actividades de extracción del petróleo [Figura 1E].
integración (columnas en amarillo).
Segundo vistazo: Similitudes entre las cadenas de valor de una refinería y
Aunque actualmente se ha requerido
mayor I&D para desarrollar las una biorrefinería
biorrefinerías. Como se indica en otros artículos de este número especial, las biorrefinerías se definen como
plataformas tecnológicas donde se generan diversos productos de interés a partir de la bio-
masa, con base en procesos alternativos a los de las refinerías de petróleo tradicionales. Para
comparar rápidamente los procesos industriales de estos dos sistemas de producción, les su-
gerimos sustituir las imágenes de las plataformas de perforación/ extracción de petróleo, por
otras con distintas fuentes de biomasa vegetal. Así nos acercaremos a la realidad actual y pers-
pectivas para las biorrefinerías [Figura 2]. Entonces podemos visualizar en perspectiva varias
interrogantes técnicas, operativas y económicas de la transición energética, tales como: ¿Se
puede aprovechar la biomasa en una refinería, convirtiéndola en una biorrefinería?, ¿Podría
ser el petróleo una materia prima para una biorrefinería?, ¿Acumula el mismo valor la pro-
ducción de biomasa para una biorrefinería, que la extracción de petróleo para una refinería?
Muchos grupos de investigación, desarrollo e innovación se han enfocado en adaptar algu-
nos procesos de la refinería para producir los mismos productos en una biorrefinería, hacien-
do los ajustes requeridos para adecuar la distribución y venta de los productos, la cartera de
proveedores, clientes e inversionistas, e incluso, las actividades postventa. PEMEX cumple
casi 85 años de operación, durante los cuales ha generado su cadena de valor, no sin difi-
cultades y limitaciones, tanto en el contexto nacional, como global. Pero esta experiencia es
relevante para analizar la creación y consolidación de las biorrefinerías en México. Los retos
más relevantes se enuncian enseguida.
Figura 3. Esquemas de cadena de valor
en modelos de biorrefinerías; A) Esquema
acoplable al petróleo, B) esquema que
incorpora la biomasa como materia prima,
y C) esquema que incorpora la biomasa
y el mejoramiento de los procesos de
sacarificación, fermentación y otras
bioconversiones. A esta comparación
se deben sumar consideraciones sobre
empacado, distribución, posventa, etc.
Actividades generadoras de valor en una biorrefinería: un enfoque

biotecnológico
Sin duda, las actividades relacionadas con la extracción de petróleo son muy distintas a las de
cultivo y cosecha de biomasa [Figuras 1A y 2]. Sin embargo, la obtención de biomasa vegetal
es una actividad primaria que tiene un historial progresivo en el ámbito de las empresas con
actividad agroindustrial (semilleras, forrajeras, ingenios, etc.). Por lo que estas etapas se han
ido adaptando con relativa facilidad a la cadena de valor de una biorrefinería [3]. Con respecto
a la preparación de la materia prima, en las refinerías convencionales, se tiene un suministro
y preparación de petróleo sostenible y optimizado ¿Se podría alimentar con petróleo a los mi-
croorganismos que sintetizan los productos de una biorrefinería, y así tener un proceso híbri-
do? Hay microorganismos que degradan petróleo, pero no son buenos para crecer o producir
compuestos de valor en esas condiciones [Figura 3A].
El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica requiere de procesos escalables y rentables
de hidrólisis termoquímica y sacarificación con enzimas. Aunque tales actividades se realizan
parcialmente en otras industrias para la producción de papel, alimentos y abonos, éstas no se
han optimizado para la obtención de azúcares como glucosa, xilosa y arabinosa que, en una
biorrefinería, son la base de las fermentaciones (Figura 3B). Entonces, la adaptación de pro-
cesos existentes y su optimización, es parte de las actividades de investigación y desarrollo
(I&D) que acumulan valía a la cadena [Figura 2B y C]. ¿Cuáles son las expectativas? Ahora pa-
gamos alrededor de 15 a 20 pesos mexicanos por un kilogramo de azúcar de caña; el costo de
la biomasa debe ser de 2 a 10 pesos para que la biorrefinería tenga rentabilidad económica [4].
Estos costos pueden ser alcanzados al procesar maíz, caña y remolacha —como hacen algunas
biorrefinerías actuales— pero el procesamiento de biomasa lignocelulósica es más costoso de-
bido principalmente al precio elevado de las enzimas utilizadas en la sacarificación (además
del asunto de utilizar recursos alimentarios).
En cuanto a los procesos de conversión, en una refinería abundan los compuestos orgánicos
en forma líquida o gaseosa (petróleo y gas), mientras en la biorrefinería hay mezclas de sus-
tancias sólidas, líquidas y gaseosas en medio acuoso (carbohidratos, componentes celulares,
sales); para la catálisis —aceleración de las reacciones químicas— en la refinería se utilizan
moléculas organometálicas (como el cloruro de metil-magnesio ) con presiones y temperatura
elevadas, a diferencia de la producción biotecnológica en una biorrefinería que requiere célu-
Emiliano Balderas es alumno de las y enzimas (proteínas), bajo condiciones más ‘blandas’ (burbujeo de aire, presión atmosféri-
maestría del Posgrado en Ciencias ca, temperatura ambiental y agitación suave).
Bioquímicas y el Dr. Luis Caspeta Casi al final, los procesos para purificar los compuestos de interés podrían impactar la acu-
es Investigador Asociado en el mulación de valía, pero afortunadamente, la refinería tiene procesos de separación (desti-
Departamento de Ingeniería Celular y lación, extracción, cromatografía, etc.), que también se utilizan en la biorrefinería, lo que se
Biocatálisis del IBt. traduce en un valor acumulado similar. No obstante, en las biorrefinerías se debe retirar una
gran cantidad de agua de los productos, por lo que se requieren tareas adicionales de centri-
Referencias fugación. También, los procesos biotecnológicos en una biorrefinería son de larga duración; la
1.Luis Caspeta, Nicolaas A. Buijs, regulación sanitaria de algunos bioprocesos es excesiva y sus sistemas de control para asegu-
and Jens Nielsen (2013). The role of rar la operación son más costosos.
biofuels in the future energy supply.
Energy & Environ Sci 6: 1077-1082. Y bueno, ¿por qué construir biorrefinerías si tenemos refinerías?
DOI: 10.1039/C3EE24403B.
La respuesta está en los efectos negativos para el ambiente y el clima que ocasionan las ac-
2. Geoffrey Heal (2020). Economic tividades de la refinería y algunos de sus productos, en especial la liberación de dióxido de
aspects of the energy transition. carbono (CO2). Hemos argumentado aquí cómo las biorrefinerías son una alternativa para
Working Paper 27766 of the National obtener energía limpia: por cada kWh obtenido a partir de combustibles fósiles se generan
Bureau of Economic Research. ~1 kg de CO2; usando biocombustibles se puede reducir a ~0.2 kg por kWh [1]. Incluso, las
Cambridge, MA, USA. <https://www. biorrefinerías optimizadas pueden reportar valores negativos, ya que ¡hay procesos que usan
nber.org/system/files/working_ CO2 como materia prima!, contribuyendo a la ‘captura de carbono’ En el corto plazo, la ope-
papers/w27766/w27766.pdf> ración de una biorrefinería optimizada presupone el desarrollo de las comunidades rurales
3. Chandel AK, MBS Forte, IS campesinas, las cuales podrían convertirse en proveedoras de materia prima. La recolección
Gonçalves, TS Milessi, PV Arruda, no debería ser un problema, pues los sistemas comunitarios de recolección de desechos, resi-
W Carvalho & SI Mussatto (2021). duos o basura han resuelto ya varias dificultades. Al final, para alcanzar la valía acumulada
Brazilian biorefineries from second en las refinerías, una biorrefinería debe invertir recursos en las actividades que brinden ma-
generation biomass: critical insights yor certeza económica, así como sostenibilidad en toda la cadena de valor. En este sentido,
from industry and future perspectives. es muy importante la selección de las moléculas correctas y la justa retribución al campo por
Biofuels, Bioprod & Biorefining 15: proveer la materia prima.
1190-1208. Contacto: luis.caspeta@ibt.unam.mx
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editado por la Sociedad Mexicana de Virología.
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NÚMERO 27 OCTUBRE-NOVIEMBRE-DICIEMBRE DE 2021 ISSN en trámite NÚMER

REVISTA DE DIVULGACIÓN DEL INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA DE LA UNAM

Biotecnología en Movimiento Año 7, No. 27. Publicación

DISEÑO EDITORIAL E ILUSTRACIÓN

para cocina y calefacción), mientras que las bioenergías ‘mo-

¿Qué son las biorrefinerías?

Los productos obtenidos de las biorrefinerías

combustible más estudiado en cuanto a producción y usos; se Ciclo de vida de biocombustibles de

Evolución reciente de las fuentes energéticas

Comparemos pretratamientos físicos y/o

Figura 3. Terminología de tipos

Las Dras. Karla Verónica Teymennet

La fermentación controlada que comúnmente llamamos

Partiendo de azúcares como materia prima para las fermentaciones

¿Qué características del proceso se deben seguir mejorando?

¿De dónde obtenemos microorganismos ideales para el BPC?

Fermentadores para la generación de biocombustibles

ganismos, recientemente, se han obtenido levaduras tolerantes a diversos inhibido-

Actividades generadoras de valor en una biorrefinería: un enfoque

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