14.3: Materias primas biológicas

Los organismos han proporcionado una gran parte de los materiales utilizados por los humanos a lo largo de su existencia. Los árboles han servido como fuentes de madera para la construcción y leña. Los animales proporcionaron pieles y pelaje para proteger a los humanos primitivos del frío de la Edad El bisonte americano era la fuente de alimento, refugio, ropa y una amplia variedad de otros artículos útiles para los nativos americanos que habitaban en la calle. La seda proteica se obtiene de los capullos de insectos, y la lana proteica de ovejas y animales afines.

Biomasa, el material vegetal generado a partir de la fotosíntesis es el principal candidato para reemplazar el petróleo como materia prima para la industria química orgánica. Hay varias categorías principales de biomasa que se pueden utilizar para materia prima:

1. Carbohidrato, que tiene la fórmula general de aproximadamente CH ₂ O. El carbohidrato es la biomasa que se produce inicialmente como azúcar de glucosa a partir del agua y dióxido de carbono durante la fotosíntesis. Está contenido en las partes estructurales de las plantas como celulosa, un biopolímero.

2. La lignina, un polímero biológico con una estructura compleja, que ocurre con la celulosa carbohidrato en partes leñosas de las plantas, uniendo fibras de celulosa juntas. Se han encontrado relativamente pocos usos para la lignina, y plantea problemas de impurezas en la extracción de celulosa para uso de materia prima.

3. Aceites lipídicos extraídos de semillas, incluyendo soja, girasoles y maíz.

4. Terpenos de hidrocarburos producidos por árboles de caucho, pinos y algunos otros tipos de plantas.

5. Proteínas, producidas en cantidades relativamente pequeñas, pero potencialmente valiosas como nutrientes y otros usos.

Los materiales biológicos utilizados como fuentes de materias primas suelen ser mezclas complejas, lo que dificulta la separación de los materiales deseados. Sin embargo, en algunos materiales de partida biológicos la naturaleza ha hecho gran parte de la síntesis. La mayoría de los materiales de biomasa están parcialmente oxidados como es el caso de los carbohidratos, que contienen aproximadamente un átomo de oxígeno por átomo de carbono (en comparación con los hidrocarburos del petróleo que no tienen oxígeno). Esto puede evitar etapas de oxidación costosas, a veces difíciles, que pueden involucrar reactivos y condiciones potencialmente peligrosas.

Existen varias vías principales por las cuales se pueden obtener materias primas a partir de la biomasa. El más sencillo de estos es una separación física simple de materiales biológicos, como exprimir el aceite de la biomasa que contiene petróleo o extraer látex de árboles de caucho. Sólo un tratamiento ligeramente más drástico consiste en la extracción de aceites por solventes orgánicos. Se pueden emplear procesos físicos y químicos para eliminar biomasa útil de los materiales estructurales de las plantas, que consisten en lignocelulosa compuesta de celulosa y el polímero de carbohidrato relacionado hemicelulosa unida por “pegamento” de lignina.

Los carbohidratos son quizás los candidatos más probables como materias primas para procesos químicos. Los carbohidratos vienen en varias formas. El azúcar de sacarosa, C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁, se puede exprimir de la caña de azúcar como savia y se puede extraer de remolacha azucarera y caña de azúcar con agua. La excepcional productividad fotoquímica de la caña de azúcar hace que la sacarosa de esta fuente sea una opción atractiva. Grandes cantidades de carbohidratos están disponibles en el almidón, un polímero de glucosa fácilmente aislado de granos, como el maíz, o de las papas. Una fuente aún mayor se encuentra en la celulosa, la cual se encuentra en partes leñosas de las plantas. Es relativamente fácil descomponer las moléculas de almidón con la adición de agua (hidrólisis) para dar glucosa de azúcar simple. Descomponer la celulosa es más difícil, pero se puede lograr por la acción de las enzimas celulasas.

Los aceites lipídicos se extraen de las semillas de algunas plantas. Los solventes volátiles, más comúnmente el alcano de cadena recta de 6 carbonos n-hexano, C ₆ H ₁₄, se utilizan para extraer aceites. En este proceso, los disolventes se destilan del extracto y se recirculan a través del proceso.

Los terpenos de hidrocarburos que se encuentran en los árboles de caucho pueden ser extraídos de los árboles como una suspensión de látex en la savia de los árboles. El tratamiento con vapor y la destilación se pueden emplear para extraer terpenos de fuentes como la biomasa de pino o cítricos.

Las semillas de grano son ricas fuentes de proteínas, casi siempre utilizadas como alimento, pero potencialmente útiles como materias primas químicas para aplicaciones especiales. Una posibilidad emocionante que acaba de llegar a buen término en un sentido práctico es trasplantar genes a las plantas para que hagan proteínas especiales, como los agentes medicinales.