Un paso más cerca de un reemplazo “verde” para los combustibles fósiles, un equipo de investigación que incluye un ingeniero químico en el Instituto Politécnico de Worcester (WPI) ha desarrollado un proceso novedoso utilizando un disolvente inusual y un microorganismo exótico que puede hacer posible la fabricación de isobutanol. Y otros biocombustibles más económicos.
El isobutanol, al igual que el etanol, es un alcohol, pero su menor solubilidad en agua y una mayor densidad de energía han generado interés en el uso potencial del compuesto como aditivo o reemplazo de gasolina. Pero la fabricación de isobutanol, que normalmente se produce mediante biotecnología, ha resultado ser difícil y costosa.
“Debido a la creciente amenaza del cambio climático y nuestra dependencia de los combustibles fósiles y los países productores de petróleo, existe un interés creciente en el uso del isobutanol como un aditivo de gasolina en lugar del etanol, que puede reducir significativamente la eficiencia del combustible de un vehículo”, dijo Michael Timko . Profesor Asociado de Ingeniería Química en WPI. “Pero no hemos encontrado una forma ecológica, eficiente o económica de producirlo“.
En un artículo publicado recientemente en Nature Communications ( Producción y recuperación de biocombustibles microbianos diseñados bajo dióxido de carbono supercrítico ), Timko y sus colegas describen un método para producir y extraer isobutanol utilizando dióxido de carbono supercrítico como disolvente y una bacteria que puede prosperar en este líquido. El equipo creó la bacteria mediante ingeniería genética mediante la adición de genes para la producción de isobutanol. Luego mostraron cómo el dióxido de carbono supercrítico podría superar dos problemas importantes que afectan a los métodos convencionales de producción de biocombustibles: bajos rendimientos y contaminación bacteriana.
Timko analizó el proceso y demostró que el biocombustible podría fabricarse utilizando cinco veces menos energía en comparación con los procesos de fabricación tradicionales, lo que lo hace menos costoso, más eficiente y más respetuoso con el medio ambiente.
Timko fue coautor del documento con Kristala Jones Prather, profesora de Ingeniería Química en MIT, y Janelle R. Thompson, Directora Asociada de la Alianza de Investigación y Tecnología Singapur-MIT, que han trabajado con él en el proyecto desde 2015, cuando Recibió colectivamente un premio de $ 1.5 millones del Departamento de Energía. WPI recibió $ 500,000 de esa subvención para el trabajo de Timko en el modelado de procesos, la extracción de biocombustibles y el análisis de procesos. El equipo del MIT trabajó en microbiología e ingeniería genética.
El isobutanol se fabrica en un biorreactor mediante la fermentación de biomasa utilizando microorganismos. El producto final se extrae con disolventes orgánicos, que a menudo son inflamables, tóxicos y costosos. El equipo de investigación de WPI reemplazó los solventes orgánicos con dióxido de carbono supercrítico, que es un estado fluido del gas que se mantiene en o sobre su temperatura y presión críticas.
Timko demostró que al usar este solvente abundante y renovable, podían extraer isobutanol de alta pureza con la suficiente rapidez para evitar que alcanzara niveles que de otro modo podrían haber detenido la fermentación. El análisis de Timko muestra que el proceso de dióxido de carbono supercrítico consume aproximadamente seis veces menos energía que cualquier otro proceso de extracción.
Las bacterias que normalmente se usan para producir isobutanol no pueden crecer en dióxido de carbono supercrítico, por lo que el equipo buscó un microorganismo que había evolucionado para prosperar en este líquido severo. Encontraron un buen candidato en Bacillus megaterium SR7. El SR7 no solo puede sobrevivir a las duras condiciones del biorreactor, sino que también puede crecer en condiciones que son letales para todos los microbios estudiados anteriormente.
Sin embargo, el microbio carecía de los genes necesarios para producir isobutanol, por lo que el equipo del MIT tuvo que agregarlos a través de la ingeniería genética. Las pruebas mostraron que Bacillus megaterium SR7 modificado puede, de hecho, producir isobutanol mientras crece en dióxido de carbono supercrítico.
El equipo de Timko realizó cálculos sobre el proceso completo para cultivar el organismo, producir isobutanol, extraerlo de la mezcla de fermentación y recuperarlo para poder utilizarlo como combustible.
“Usamos el valor de 30 años de experiencia científica para construir este proceso”, dijo. “El simple hecho de tener un organismo que pueda crecer en dióxido de carbono supercrítico no es una gran salpicadura, pero produce isobutanol y es capaz de extraerlo a la velocidad correcta, todo junto, es una gran salpicadura“.
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