Industrialmente, el biodiesel es obtenido de triglicéridos y/o ácidos grasos que son los componentes mayoritarios de los aceites vegetales. Se realiza para esto un proceso químico o bioquímico de transesterificación. Estos triglicéridos se hacen reaccionar con un alcohol, generalmente metanol o etanol, en presencia de un catalizador, consiguiéndose así, ésteres metílicos o etílicos de aceite vegetal, según el alcohol que se emplee. Estos son los ésteres de ácidos grasos (EAG) que constituyen el biodiesel como tal. A continuación se muestra de forma esquemática el proceso de transesterificación.

Como se muestra anteriormente la transesterificación ocurre en un sistema de tres reacciones serie. Es necesario partir del hecho que el glicerol es el producto no deseado y se obtiene en la última reacción. Por tanto, el rendimiento en los productos deseados (ésteres etílicos) dependerá de varios factores como: los perfiles de concentración en el reactor, la temperatura y el grado de extensión de la reacción. ⁹. En la literatura se reporta el uso de diferentes sistemas de contactos pero sin que se explique el porqué de la elección. Ejemplo Kiril ¹⁰ utiliza un reactor de tanque agitado discontinuo. En el trabajo de Jakeline ¹¹, donde se hace un estudio de los diferentes reactores reportados para la reacción de transesterificación, muestra el uso de reactores de tanque agitado discontinuos, discontinuos con recirculación de la enzima y continuos y reactores tubulares de lecho empacado y lecho fluidizado. De aquí se infiere la necesidad de identificar modelos cinéticos robustos que permitan escoger y diseñar el mejor sistema de contacto entre los reactantes.

Seguidamente se discuten alternativas para los tres componentes principales: los triglicéridos, el catalizador y el alcohol a ser utilizado.

La producción de biodiesel en la actualidad se basa en el uso de aceites de plantas, grasas de animales y aceites de algas ^12-15>⁾. Actualmente el aceite vegetal más usado para la producción de biodiesel es el aceite de soya, el aceite de girasol o el de Jatropha curcas. ¹⁶ Además, en la síntesis de biodiesel se han usado con éxito los residuos de la industria de aceites y grasas, la cachaza de la caña de azúcar ⁴ así como el aceite comestible rechazado luego de su uso. Es por consiguiente posible producir biocombustibles de los residuos industriales. ¹⁷

De esta manera, otra línea problemática para la síntesis de biodiesel en Cuba es la elección de las fuentes de triglicéridos más convenientes. La producción en Cuba de semillas oleaginosas para la fabricación de aceites vegetales es escasa y, en sentido general, la existencia de fuentes de grasas que sirvan para una industria de combustibles es despreciable. ¹⁸⁾ Dentro de las posibles fuentes de aceites vegetales a competir en nuestro contexto pueden citarse, entre otros ¹⁹: Jatropha curcas, Moringa oleífera y Azadirachta indica.

La producción de aceite Jatropha curcas parece ser una buena alternativa para Cuba debido a las características de sus suelos y a la facilidad que tiene esta planta para crecer en terrenos semiáridos, de baja calidad y con una productividad superior al doble que la soya.^19,20) Una evaluación reciente de la calidad de los aceites producidos en dos regiones distantes de Cuba arrojan una composición semejante y una buena calidad de los aceites para la síntesis de biodiesel. ¹⁸ Por otro lado, se ha reportado que la síntesis de biodiesel con este aceite y etanol, catalizada con lipasas permite obtener muy buenos resultados. ²¹

La Moringa oleífera es una planta también virtuosa para crecer con buenos rendimientos en diferentes terrenos y en condiciones de secano.^22,23) La calidad de su aceite es muy buena, con un contenido predominante de ácido oleico, cercano al 70 %, muy superior a otras especies evaluadas en Cuba.¹⁹⁾ El aceite de Moringa puede tener diversos usos para la síntesis de compuestos de gran interés ¹⁹⁾ y se ha reportado su uso satisfactorio para la síntesis de biodiesel.²⁴

Más recientemente, un área que ha marcado gran interés internacional es la producción de aceite unicelular (AUC), usando microorganismos oleaginosos heterotróficos. ^25,26 Se considera una ventaja que una cierta cantidad de especies puedan crecer en biomasa lignocelulósica debido a la gran disponibilidad de estos recursos ^25,26 que podrían dedicarse a la producción del biodiesel todos los años de forma renovable. De hecho, estos microorganismos son capaces de sintetizar estos ácidos grasos usando como substrato fuentes de carbono lignocelulósicas como la madera, la paja u otros residuos agroindustriales o, directamente del dióxido de carbono atmosférico, en el caso de las micro-algas y las cianobacterias por el proceso de fotosíntesis. ²⁶

Probablemente, los aceites provenientes de microorganismos que crecen sobre substratos lignocelulósicos, puedan competir como materia prima para la producción de biodiesel en Cuba.

Esto será posible si se consigue implementar las siguientes condiciones (12): (i) se utilizan sustentablemente recursos baratos basados en fuentes biológicas como los residuos lignocelulósicos; (ii) se consiguen altos rendimientos de los microorganismos oleaginosos heterotróficos (MOH); y (iii) se consigue una producción con una calidad reproducible, alta, y de manera sostenible. Los esfuerzos de investigación en curso han apuntado al cumplimiento de estas tareas determinando los factores fundamentales que controlan la acumulación de lípidos en las especies oleaginosas ^12,27,28, comparándolos para modelar a estos microorganismos y tratar de modificar ²⁹ y optimizar las condiciones del cultivo. ^12,25,30,31

En este momento, como parte del proyecto de biodiesel lignocelulósico se trabaja en el aislamiento e identificación de cepas oleaginosas. En la figura 1 se muestran las hifas de una cepa de Rizhopus sp. aislada en la en la Universidad de Camagüey en las que se aprecia la abundancia de glóbulos de aceite unicelular en su interior luego de crecer en una fermentación sólida de residuos lignocelulósicos. Los glóbulos de aceite fueron teñidos con colorante liposoluble Sudan III. Esta fuente de aceite pudiera contribuir a reducir notablemente el costo del biodiesel. ⁷

Fig. 1

Una alternativa prometedora al uso de la catálisis en ambiente básico consiste en el uso de biocatalizadores enzimáticos como las lipasas. ¹⁷⁾ Estas enzimas permiten, por un lado, no tener que acudir más al uso del carbonato sódico cáustico y a grandes cantidades de agua. De hecho, la catálisis biológica puede conducir, según las condiciones operativas, a la síntesis de una molécula de triglicérido, de dos moléculas de éster de ácido graso y a una molécula de monoglicérido (éster de ácido graso inocuo para los motores).

En general las ventajas de la producción de biodiesel enzimático han sido resumidas en las siguientes⁷ proceso que opera a temperatura ambiente, se eliminan los costos asociados a la recuperación del catalizador químico precipitado, la posibilidad del re-uso de la enzima, alta especificidad de la enzima por el sustrato, la habilidad de la enzima de esterificar no sólo ácido grasos libres sino también triglicéridos directamente en un solo paso, uso de una menor relación alcohol/aceite, la eliminación de reacciones colaterales y la minimización de impurezas, la más fácil separación y recuperación del producto, la degradabilidad del biodiesel y su compatibilidad medioambiental.

Las lipasas son enzimas importantes en los sistemas biológicos. Se obtienen de microorganismos y también de plantas y animales. Desde un punto de vista fisiológico, estas enzimas catalizan las reacciones de catabolismo de triglicéridos en ácidos grasos y glicerol. Sin embargo, según las condiciones operativas (en ausencia de agua), las lipasas son capaces de catalizar otras reacciones industrialmente muy usadas, como las reacciones de transesterificación. La producción de lipasas constituye en la actualidad un creciente mercado internacional que resulta muy atractivo para la industria biotecnológica cubana. A esto contribuye su amplia aplicación en la elaboración de detergentes y la gran versatilidad de estas enzimas en la síntesis orgánica.^32,33) Dentro de éstas se destacan las reacciones de transesterificación³⁴, de renovado interés actual para la industria de biocombustibles. ^35,36

La producción de lipasas está extendida en numerosos géneros y especies de microorganismos que abarcan bacterias, levaduras y hongos filamentosos. La selección del microorganismo apropiado para la producción de estas enzimas es un aspecto clave para el éxito tecnológico y va a depender del tipo de tecnología fermentativa a utilizar.^37,38) Los microorganismos más frecuentemente utilizados son los hongos filamentosos ³⁹, los cuales tienen un mejor compartimiento en la fermentación sólida.

La aplicación de estas enzimas está limitada actualmente por los altos costos de producción. ⁴⁰⁾ De esta manera, además de desarrollar procesos de fermentación muy productivos, se procura aplicar técnicas de purificación que permitan recuperar al máximo las enzimas producidas, al tiempo que afecten poco su estabilidad y actividad. ⁴¹ En la figura 2 se muestran los resultados de la actividad lipolítica reportadas en la literatura para hongos filamentosos.

Fig. 2

En trabajos no publicados sobre el tema, que se llevan a cabo en esta universidad se utiliza un medio semisintético, que se basa en el empleo de un soporte natural (cáscara de cacao) y reactivos químicos como fuentes de nitrógeno orgánico inorgánico, fosfatos y otro macro y microelementos. En este caso la actividad máxima alcanzada fue cercana a 200 UI/g_MS a las 72 h de fermentación, un resultado notorio si se compara con lo publicado en literatura hasta la fecha. Por otra parte, y como parte de esta investigación, también se ha empleado un medio complejo en el que se usan materias primas como la harina de moringa, suero de leche, miel final de caña de azúcar, sin otra suplementación. En este medio hasta la fecha la actividad máxima alcanzada es cercana a 80 UI/g_MS, en un período también de 72 h como puede apreciarse en la figura 2.

En el caso del medio semisintético se alcanza una actividad 2,5 veces mayor que el medio complejo. No obstante, el costo de materias primas en el segundo es mucho menor que el primero y, ese es un factor clave a considerar en las decisiones tecnológicas que se tomen. El trabajo aún no ha concluido, hacia el futuro debe encontrarse una solución intermedia en entre estos dos medios de cultivo, la cual minimice el costo unitario.

Otra cuestión importante en ese sentido es formular el producto terminado de manera que pueda ser reutilizado varias veces.^42).Para ello se utilizan diferentes técnicas de inmovilización en las que se logra, muchas veces, mantener o aumentar la actividad y estabilidad de la enzima, aparte de ofrecer la posibilidad de aplicarlas a procesos continuos con recuperación del biocatalizador.^40).

El origen del uso de etanol como carburante se remonta al siglo XIX, en los inicios del transporte motorizado. Aunque el posterior desarrollo de la industria petrolífera relegó su utilización y la de otros carburantes de origen vegetal, el etanol fue el combustible empleado en el primer motor de combustión interna desarrollado por Nicholas Otto y también en el primer automóvil de cuatro tiempos fabricado por Henry Ford. (La crisis del petróleo en los 70 evidenció la dependencia de los países exportadores y resurgieron las iniciativas para desarrollar y promover otros tipos de combustibles. Ya en el siglo XXI, la producción mundial de bioetanol a partir de biomasa azucarada y amilácea aumentó notablemente, llegándose a triplicar en sólo siete años, entre 2000 y 2007. ^43,44

El etanol tiene un algunas características interesantes ⁴⁵: contiene un menor contenido de energía (aproximadamente 45 % menos que el diesel), bajo precio y una menor emisión de contaminantes que la gasolina y el petrodiesel. El etanol tiene un número de octano alto (99), por regla mayor que el de las gasolinas (80-100) lo que hace que no ocurra la pre-ignición al ser usado directamente. Todo esto hace que hasta la fecha sea usado más frecuentemente como un aditivo competitivo de la gasolina que como combustible puro.

La producción de etanol a partir de la caña de azúcar y los cereales compite con la alimentación humana y debido a esto se ha generado una fuerte tendencia a producirlo de fuentes no sólo renovables sino, además, de los residuos agroindustriales. Múltiples son las dificultades a enfrentar en la producción de etanol lignocelulósico, pero principalmente la reducción de los costos enzimáticos que son los más elevados. En esta dirección resulta primordial la búsqueda de cepas super productoras, estables y resistentes al proceso de producción.

En la figura 3 se muestra una comparación de las productividades en la producción de celulasas conseguidas en este proyecto de investigación con sendos esfuerzos de optimización de un medio de cultivo para la actividad de una cepa de Aspergillus niger.

Fig.3- Comparación

La productividad conseguida, aun cuando el trabajo de optimización no ha concluido, está entre las más altas reportadas en la literatura hasta fecha, con un valor de actividad de alrededor de los 50 UI/g_MS. Este valor de actividad está dentro de la media reportada, pero se obtuvo a las 24 h, lo cual es un gran paso de avance hacia los objetivos de hacer competitivo el etanol lignocelulósico.