Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

El hambre de energía del mundo está superando el suministro de combustibles fósiles, los restos antiguos y finitos de plantas y animales que han impulsado la civilización durante siglos. La quema de estos combustibles libera dióxido de carbono que ha estado atrapado bajo tierra durante eones, acelerando el cambio climático y calentando el planeta. Los científicos buscan urgentemente un tipo diferente de combustible, uno que provenga de seres vivos y que reintegre el carbono a la atmósfera sin añadir a la carga total. Esta es la promesa de los biocombustibles. La fuente más abundante de tal combustible no son los cultivos alimentarios como el maíz o el jugo de caña de azúcar, sino el residuo fibroso y leñoso que queda tras su cosecha. Este material, conocido como biomasa lignocelulósica, es duro y resistente por diseño; es el esqueleto estructural de las plantas, construido para resistir los elementos. Para convertir esta fibra dura en combustible líquido, los investigadores deben primero descomponerla en azúcares simples que la levadura pueda comer, un proceso que históricamente ha requerido químicos agresivos o cantidades inmensas de energía.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores en la India abordó este desafío utilizando bagazo de caña de azúcar, el residuo seco y pulposo que queda tras el triturado de la caña para obtener jugo. Este material se genera en cantidades masivas, pero gran parte de él se quema o se desecha. Los investigadores pretendían convertir este residuo en bioetanol, un combustible de combustión limpia, utilizando un método que evite por completo los productos químicos tóxicos. Se centraron en un proceso físico de dos pasos para desbloquear los azúcares ocultos dentro de las fibras vegetales. Primero, sometieron el bagazo a un calor y presión intensos en un tratamiento hidrotérmico, esencialmente cocinándolo en agua para ablandar su estructura. Inmediatamente después, sin lavar ni neutralizar el material, lo pasaron por un molino mecánico. Esta combinación de calor y fuerza física eliminó más de la mitad de la lignina, el polímero pegajoso y similar al pegamento que mantiene unidas las fibras vegetales y bloquea el acceso a los azúcares. El resultado fue una biomasa significativamente más rica en carbohidratos fermentables necesarios para el combustible, todo ello sin generar las corrientes de desechos químicos típicas de otros métodos.

Con la dura cubierta exterior de la planta descompuesta, el equipo recurrió a las propias herramientas de la naturaleza para terminar el trabajo: enzimas. En lugar de comprar enzimas comerciales costosas, cultivaron las suyas propias en el laboratorio utilizando salvado de trigo como alimento para tipos específicos de hongos. Cultivaron dos cepas, Trichoderma viride y Trichoderma harzianum, que producen naturalmente enzimas capaces de digerir las paredes celulares de las plantas. Tras unos pocos días de crecimiento, recolectaron el líquido que contenía estas enzimas y los purificaron ligeramente para concentrar su potencia. Cuando aplicaron estas enzimas fúngicas al bagazo pretratado, las enzimas actuaron como tijeras biológicas, cortando las largas cadenas de celulosa y hemicelulosa en moléculas de azúcar individuales. El proceso fue altamente efectivo; en cuarenta horas, las enzimas liberaron una enorme cantidad de azúcar del material vegetal. El equipo descubrió que las enzimas de Trichoderma viride eran particularmente potentes, convirtiendo casi dos tercios de los carbohidratos disponibles en azúcares. Cuando mezclaron las enzimas de ambas cepas fúngicas, la combinación funcionó aún mejor, liberando un poco más de azúcar debido a las formas complementarias en que las dos enzimas atacaban la estructura vegetal.

El paso final consistió en convertir estos líquidos ricos en azúcar en combustible. Los investigadores introdujeron una levadura común, Saccharomyces, en la solución de azúcar. Este microbio consume naturalmente el azúcar y excreta etanol como subproducto. En un entorno controlado, la levadura trabajó eficientemente, consumiendo casi todo el azúcar disponible en un día. El resultado fue un líquido transparente con una concentración de bioetanol de 6,39 gramos por litro. Crucialmente, los investigadores confirmaron que este rendimiento no era solo una posibilidad teórica, sino una realidad medida, alcanzando el 86 por ciento de la cantidad máxima de combustible que podría producirse de esa cantidad específica de azúcar. Debido a que el pretratamiento inicial evitó los químicos agresivos, la solución de azúcar no contenía los subproductos tóxicos que a menudo matan a la levadura o detienen la fermentación en otros procesos, permitiendo que la levadura trabaje a su máxima eficiencia.

Para comprender lo que esto significa para el mundo real, los investigadores calcularon la producción potencial a gran escala. Estimaron que por cada hectárea de caña de azúcar cultivada en la India, el bagazo producido podría convertirse en aproximadamente 3.263 litros de bioetanol. Esta cifra sugiere que el proceso no es solo una curiosidad de laboratorio, sino un camino viable hacia la producción a escala industrial. El estudio demuestra que es posible crear un flujo completo y ecológico para la producción de combustible: comenzando con desechos agrícolas, utilizando calor y fuerza mecánica para abrir las fibras vegetales, empleando hongos cultivados en subproductos de granos baratos para liberar los azúcares y, finalmente, utilizando levadura para fermentar esos azúcares en combustible. Al demostrar que un enfoque libre de químicos puede lograr altos rendimientos, la investigación ofrece un esquema convincente para una bioeconomía circular, donde los desechos agrícolas se transforman en una fuente de energía sostenible sin el costo ambiental del procesamiento químico.