Una nueva investigación sugiere que las migas de pan procedentes de los residuos alimentarios podrían sustituir a los combustibles fósiles como fuente de hidrógeno en una de las reacciones químicas más comunes utilizadas en la fabricación de productos químicos. El nuevo proceso, publicado el 23 de febrero en la revista Nature Chemistry, combina procesos de fermentación natural en bacterias con catálisis metálica para generar una variedad de valiosos productos químicos a partir de simples residuos alimentarios. Los cálculos demostraron que este procedimiento híbrido tiene un balance de carbono negativo, y los autores creen que podría ser el primer paso para replantear la fabricación de productos químicos como una industria más sostenible.
La hidrogenación es un proceso químico que inserta una molécula de hidrógeno a través de un doble enlace y es una reacción fundamental en la producción de alimentos, la fabricación de plásticos y la síntesis de compuestos farmacéuticos. Sin embargo, la mayor parte del hidrógeno gaseoso utilizado en esta reacción se obtiene de combustibles fósiles mediante un proceso contaminante y de alto consumo energético llamado reformado con vapor, que produce entre 15 y 20 kilogramos de dióxido de carbono por cada kilogramo de hidrógeno generado. En consecuencia, la hidrogenación representa un enorme desafío de sostenibilidad para la industria química, y los científicos buscan con urgencia alternativas más ecológicas.
Inspirándose en la naturaleza, Stephen Wallace, profesor de biotecnología química en la Universidad de Edimburgo, decidió investigar si era posible aprovechar el poder de la biología para abordar este problema químico. Muchas bacterias producen hidrógeno de forma natural cuando se ven obligadas a respirar anaeróbicamente (sin oxígeno), liberando un flujo constante de este gas al entorno. Si esto pudiera vincularse a un sistema químico compatible, teóricamente sería posible utilizar biohidrógeno en una reacción de hidrogenación, eliminando así la necesidad de combustibles fósiles en este proceso, razonó Wallace.
“El principal desafío fue encontrar un catalizador que pudiera funcionar en un sistema vivo: en agua, a temperaturas moderadas y sin dañar las células”, explicó a Live Science en un correo electrónico. “Tuvimos que encontrar el equilibrio entre dos aspectos: un catalizador que se mantuviera activo en un entorno biológico complejo y microbios que continuaran funcionando en presencia del catalizador”.
Cambio cultural
El equipo cultivó bacterias E. coli en un medio que contenía glucosa, añadiendo un catalizador de paladio comercial y un sustrato de prueba antes de burbujear la mezcla para eliminar el oxígeno. La reacción sin oxígeno se incubó a 37°C durante un día, y el análisis posterior reveló que la cepa con mejor rendimiento había producido el producto de hidrogenación esperado con un rendimiento del 94%.
“El catalizador metálico entra y se une a la membrana celular”, explicó a Live Science Simone Morra, biotecnóloga de la Universidad de Nottingham que no participó en el estudio. “La célula produce el hidrógeno, y cuando este comienza a difundirse fuera de ella, choca con el catalizador metálico, que lleva a cabo la segunda parte de la reacción y produce un producto de hidrogenación”.
Una vez establecido un sistema biocompatible, Wallace buscó reemplazar la costosa glucosa como materia prima con una alternativa más económica y sostenible. Centrándose en los residuos de pan, el equipo utilizó enzimas microbianas para descomponer las complejas moléculas de carbohidratos presentes en las migas de pan en unidades simples de glucosa. Este combustible derivado de los residuos se suministró directamente a los cultivos de E. coli, convirtiendo así las migas de pan en hidrógeno.
Pero los investigadores tenían un último as bajo la manga: en lugar de alimentar el cultivo bacteriano con una molécula precursora, modificaron genéticamente ciertas cepas para que produjeran los sustratos necesarios dentro de las propias células. “Es brillante y muy inspirador”, dijo Morra. “Demuestran que pueden aprovechar las capacidades sintéticas de la E. coli. Básicamente, pueden utilizar las rutas metabólicas del carbono de la célula para producir cualquier sustrato que deseen”.
El uso de hidrógeno biogenerado resultó en una reducción de tres veces en las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con el uso de combustibles fósiles. El proceso de hidrogenación impulsado por migas de pan, en particular, redujo el potencial de calentamiento global en más del 135%, lo que corresponde a una huella de carbono negativa.
El equipo trabaja actualmente para aumentar el número de sustratos posibles y desarrollar un proceso que permita procesar más tipos de residuos biológicos. Su objetivo final es incorporar este método a la síntesis química industrial.
“Actualmente, el sistema funciona mejor con alquenos más simples», o moléculas que contienen un doble enlace carbono-carbono”, explicó Wallace. “Aún no es tan eficiente como los procesos industriales, pero demuestra una forma fundamentalmente nueva de realizar la hidrogenación. Para que sea viable, necesitamos mejorar la eficiencia, ampliar la escala biológica y desarrollar catalizadores que se mantengan estables y rentables a escala industrial”.
Fuente: Live Science.
