14.4: Fuentes Biológicas de Químicos
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En la provisión de productos químicos especializados y básicos y materias primas, existen dos fuentes biológicas principales de materiales. Una de ellas consiste en plantas, que hacen grandes cantidades de celulosa y menores cantidades de otros materiales por fotosíntesis. La otra fuente son los microorganismos, especialmente bacterias y levaduras.
Fermentación
La fermentación se refiere a la acción de los microorganismos sobre los nutrientes en condiciones controladas para producir los productos deseados. La fermentación para algunos productos es anóxica (ausencia de O2); para otros productos puede ser necesaria la fermentación óxica. Los procesos de fermentación se han utilizado durante miles de años para producir bebidas alcohólicas, chucrut, vinagre, encurtidos, queso, yogur y otros alimentos. El etanol, el alcohol en las bebidas alcohólicas, es el químico más ampliamente producido elaborado por fermentación. Ácido láctico,
también se ha producido por procesos de fermentación durante muchos años. Más recientemente, la fermentación se ha aplicado a la producción de una amplia variedad de ácidos orgánicos, antibióticos, enzimas y vitaminas.
A partir de la década de 1940, uno de los principales productos de la fermentación industrial ha sido la penicilina, de la cual existen varias formas. La Figura 14.2 muestra un diagrama simplificado de una instalación para la producción de este antibiótico salvavidas. Después de la penicilina, se desarrollaron procesos de fermentación para la producción de varios otros antibióticos significativos.
La selección del microorganismo apropiado es la consideración más importante de un proceso exitoso de producción de fermentación. Los microorganismos tienen que tener los nutrientes adecuados, cuya elección puede afectar el tipo y rendimiento del producto. Se deben mantener las condiciones estériles y la esterilización del equipo y los medios se logra calentando a 125—150° C durante periodos de tiempo apropiados. El aire que ingresa al fermentador debe ser filtrado y esterilizado. La temperatura de fermentación es importante, con tasas de fermentación aumentando hasta una temperatura óptima, después de lo cual disminuyen bruscamente con el aumento de las temperaturas a medida que las enzimas utilizadas por los microorganismos son destruidas (desnaturalizadas). Este tipo de relación de temperatura ha aumentado el interés en el uso de microorganismos termófilos que existen a temperaturas de agua hirviendo en aguas termales. Si tales organismos pueden diseñarse para producir los productos deseados, la tasa de generación del producto puede aumentar notablemente. Tanto los niveles de oxígeno (que deben excluirse de los procesos anóxicos) como el pH deben controlarse con precisión. Los procesos de fermentación modernos utilizan una variedad de sensores para monitorear continuamente las condiciones en el tanque de fermentación y el control computarizado para controlar con precisión todos los parámetros.
La fermentación está experimentando un tremendo desarrollo con el uso de microorganismos transgénicos a los que se han transferido genes para elaborar tipos específicos de sustancias. Las sustancias más comunes y valiosas elaboradas por microorganismos transgénicos consisten en una variedad de proteínas. Estos incluyen proteínas y polipéptidos de moléculas más pequeñas que se utilizan como productos farmacéuticos. El mejor ejemplo de tal sustancia es la insulina humana, que ahora es producida en grandes cantidades por microorganismos transgénicos.
Hasta hace poco, la fermentación no se ha empleado ampliamente para fabricar productos químicos básicos utilizados a gran escala. Una excepción es la producción a gran escala de etanol a partir de la fermentación de azúcar de glucosa por levaduras. Ahora ordenado como aditivo de gasolina en Estados Unidos por ley, se elaboran enormes y crecientes cantidades de etanol por fermentación de glucosa derivada del maíz y este uso es un mercado importante para el maíz. No está claro que se trata de una tecnología verdaderamente verde y algunas autoridades creen que la energía consumida y el daño ambiental del cultivo más intensivo del maíz superan los beneficios de usar este grano para producir combustible de etanol. Los avances en la microbiología transgénica han aumentado las posibilidades de utilizar la fermentación para producir una variedad de productos químicos y materias primas químicas, varios ejemplos de los cuales se discuten en este capítulo.
Producción de Materiales por Plantas
Los usos de microorganismos que operan en procesos de fermentación para generar productos químicos básicos fueron discutidos anteriormente. Las plantas son el otro tipo de organismo que se puede utilizar para producir productos químicos. En efecto, los nutrientes utilizados para los procesos de fermentación provienen originarios de las plantas. La fermentación no es en cierto sentido un medio muy eficiente de producir productos químicos debido al consumo de nutrientes para apoyar a los microorganismos y su reproducción y por la generación de grandes cantidades de subproductos. Las plantas, que generan su propia biomasa a partir del dióxido de carbono atmosférico y el agua, son productoras de materiales muy eficientes. La madera y la celulosa extraída de ella son ejemplos primordiales de tales materiales.
Además de su eficiente producción de biomasa, las plantas ofrecen distintas ventajas en su producción y cosecha. La genética determina los materiales que fabrica una planta, y una vez que un cultivo está creciendo en un campo, los productos para los que está programado se producirán sin temor a la contaminación por otros organismos, lo que siempre es una consideración en la fermentación. Las plantas pueden ser cultivadas por personal relativamente incapacitado utilizando prácticas agrícolas bien conocidas. La materia vegetal es generalmente fácil de cosechar en forma de granos, tallos y hojas, que se pueden llevar a una biorrefinería (ver abajo) para extraer los materiales necesarios.
La producción de materias primas y otros productos químicos a partir de plantas se ha visto limitada por las restricciones genéticas inherentes a las plantas. Ahora, sin embargo, las plantas transgénicas pueden ser criadas para producir una variedad de materiales dirigidos por genes trasplantados de otros tipos de organismos. Por ejemplo, como se discute en la Sección 14.10, incluso se han desarrollado plantas para sintetizar plásticos. Otra limitación de la producción de materiales por parte de las plantas ha sido la mezcla de estos materiales con otra materia generada por las plantas. La mezcla íntima de celulosa de madera útil con lignina, para la que aún se buscan usos, es un excelente ejemplo de este problema. Nuevamente, se puede esperar que la tecnología transgénica sea útil en el desarrollo de plantas que produzcan un producto relativamente puro (como la celulosa casi pura en el algodón).
El potencial de las plantas para producir productos útiles se ha incrementado en gran medida por el desarrollo de plantas híbridas con capacidades espectaculares para generar biomasa por fotosíntesis. El maíz es uno de los cultivos de campo más productivos, y las variedades híbridas producen grandes cantidades de grano y biomasa vegetal (hojas, tallos, cáscaras y mazorcas comúnmente llamadas rastrojo de maíz). La caña de azúcar se destaca por su capacidad para producir biomasa, algunas en forma de azúcar, mucho más en la biomasa del tallo de caña. Los residuos del tallo de caña de azúcar que quedan después de extraer el azúcar del mismo (bagazo) han tenido relativamente pocos usos, aparte del combustible, pero potencialmente pueden producir grandes cantidades de materias primas químicas en las biorrefinerías. Uno de los desarrollos más emocionantes de las plantas híbridas productivas es el álamo híbrido que, nutrido por cantidades mínimas de fertilizante y regado por sistemas económicos de riego por goteo, crece en pocos años a un tamaño cosechable para la producción de pulpa de madera y madera para contrachapado. La capacidad de estos árboles para generar celulosa que se puede convertir en glucosa significa que pueden servir como base de toda una industria química de origen vegetal. Existe la posibilidad de que puedan ser modificados genéticamente para producir otros químicos también.