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Industria del papel

Blancura total

Una pequeña empresa desarrolla una enzima destinada a blanquear la celulosa sin causar daños ambientales

Leo RamosUn nuevo tipo de enzima destinada al blanqueo de la celulosa, más eficiente, barata y que no causa problemas ambientales, podrá llegar próximamente al mercado. Ha sido desarrollada por la empresa Verdartis Desarrollo Biotecnológico, que se originó en un grupo de investigaciones en la Universidad de São Paulo (USP) con sede en la localidad paulista de Ribeirão Preto. Entre las ventajas del nuevo producto se encuentra la reducción del volumen de agua utilizada en el procesamiento de la madera para la obtención de celulosa y de la cantidad de dióxido de cloro, el agente químico empleado para el blanqueado. Asimismo, la enzima puede personalizarse, de acuerdo con las características y necesidades de cada industria del papel. Para lograr crearla, Verdartis contó con los recursos de cinco proyectos financiados por el programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe), de la FAPESP.

El socio de la empresa, Marcos Roberto Lourenzoni, egresado del departamento de Química de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP), de la USP, explica que la celulosa está compuesta por elementos fibrosos que son individualizados durante el proceso industrial de la madera y adquieren una coloración marrón debido a la presencia de lignocompuestos. Para convertir a esas fibras en material adecuado para la fabricación de papeles, el blanqueo constituye una etapa fundamental, cuando se hacen necesarios compuestos químicos de alto costo y que requieren cuidados específicos durante su descarte bajo la forma de efluentes industriales. En ese proceso, dos sustancias químicas remanentes, la lignina y los grupos denominados urónicos, son responsables por el consumo de los reactivos presentes en las fibras y que pueden reducirse mediante el empleo de enzimas.

El dióxido de cloro reacciona con la lignina, responsable del color marrón, rompiéndola en moléculas menores, que son solubles y se extraen durante el proceso. Mucha de esa lignina permanece encapsulada por la pulpa, por eso exige mayores cantidades de dióxido de cloro y otros reactivos para extraerla. “En el caso de las enzimas, éstas actúan específicamente rompiendo el sustrato y otros componentes de la celulosa, tales como la lignina residual”, explica Lourenzoni. “Ello promueve la creación de poros en la pulpa y permite que el dióxido de cloro acceda con mayor facilidad a la lignina. Así, se necesita una menor cantidad de químicos para lograr el mismo efecto. La ventaja reside en la reducción de los costos”.

Más allá de reducir los costos del blanqueado, las enzimas desarrolladas por Verdartis pueden hacer lo mismo en relación con los gastos de energía eléctrica necesaria para refinar la celulosa. En esta etapa, la celulosa se diluye en agua, pasando por refinadores que provocan el desfibrilamiento de las macrofibrilas consumiendo energía eléctrica mediante un proceso mecánico. La acción de las enzimas rompe grupos de celulosa, facilitando el refinamiento y, por consiguiente, disminuyendo el consumo de energía eléctrica.

Las enzimas son proteínas producidas por organismos vivos que desempeñan la función de catalizadores, es decir, tienen la propiedad de acelerar las reacciones químicas. Para poder utilizárselas durante un proceso industrial, sin embargo, deben producirse en gran cantidad, en poco tiempo, y con características específicas y deseables. Ya hay en el mercado una serie de enzimas para el blanqueo de la celulosa. El problema radica en que son muy costosas y liberan gran cantidad de material orgánico en los efluentes, los cuales exigen tratamiento y lógicamente, otro aumento en los costos.

Ahí es donde interviene la tecnología desarrollada por Verdartis. Empleando ingeniería molecular (o ingeniería genética), la empresa produce, a partir de microorganismos tales como la bacteria Escherichia coli, catalizadores personalizados para cada proceso industrial o cada fábrica de sus clientes. “Es decir, creamos la enzima para el proceso en lugar de modificar el proceso para adaptarlo a la enzima”, dice Lourenzoni. “Además, no vierte residuos en el agua, lo cual la torna más eficiente, desde el punto de vista económico y ambiental”.

Entre las técnicas utilizadas a tal fin, se encuentra la denominada evolución dirigida, también conocida como biotecnología evolutiva. En forma más rápida que en la naturaleza, ésta reproduce en laboratorio la evolución de la biodiversidad natural mediante el mismo mecanismo de selección por adaptación al ambiente. En la práctica, la evolución dirigida imita lo que ocurre en la naturaleza, es decir, en la evolución natural (mutación, recombinación y selección natural). La diferencia consiste en que las propiedades que se desea para las enzimas ya están predefinidas por los científicos.

Mediante esta técnica, se inducen mutaciones aleatorias en el ADN, originando una “biblioteca” de genes modificados, en la cual cada uno de ellos codifica un catalizador. “En esa biblioteca hay millones de posibilidades o combinaciones, entre las cuales algunas constituyen buenas soluciones para expresar la característica que se busca para una determinada enzima”, explica Lourenzoni. “En la práctica, se crea una biblioteca con genes de enzimas silvestres. Luego, se insertan copias de esos genes en vectores de expresión, que son utilizados para transformar el microorganismo, en el caso de Verdartis, la E. coli”.

Genes para la evolución
De esa manera, un conjunto de bacterias, cada una con un gen determinado, produce una enzima diferente. Se selecciona un conjunto entre ellos, lo cual representa una cantidad bastante pequeña en relación con todas las combinaciones de la biblioteca, ya que es imposible procesar y evaluar todas las posibilidades generadas. Con ese conjunto es posible hallar enzimas adaptadas para actuar en determinado ambiente, que simula las condiciones industriales deseadas, y seleccionar aquellas que fueran funcionales. El siguiente paso consiste en secuenciar el ADN de esas enzimas y verificar sus mutaciones. “los genes de esas mejores enzimas pueden ser sometidos a recombinaciones buscando su evolución”, explica Lourenzoni.

Pero solamente con eso no basta. Aunque la evolución dirigida ocurra mucho más velozmente que la natural, no resulta suficiente para sostener el modelo de negocio de enzimas personalizadas. El proceso para la creación de una determinada enzima puede tardar meses, y la necesidad del mercado por las nuevas es inmediata. Por eso debe ser acelerado. Para resolver el problema, Verdartis desarrolló un software, denominado Artizima, que se utiliza para trabajar con el número astronómico de variantes de enzimas que se evalúan experimentalmente. El uso de esa herramienta permite acelerar ciclos de evolución dirigida, minimizando el tiempo de desarrollo de un catalizador específico para una determinada función.

El paso final de la tecnología es la producción, a escala de laboratorio y, posteriormente, a escala industrial, una fase que la empresa aún no ha alcanzado. De cualquier modo. Lourenzoni explica que ese proceso se divide en dos etapas: la primera consistente en la producción propiamente dicha en fermentadores, y la segunda, denominada downstream, que es la de la separación y purificación de la enzima.

Las bases de la transformación
La biotecnología inicialmente fue desarrollada en la tesis doctoral de Roberto Ruller, dirigida por el profesor Richard John Ward, del Departamento de Química de la FFCLRP. Al finalizar su propio doctorado, Lourenzoni trabajó en una empresa de base tecnológica, en la cual fue ubicado por Ward, quien quería saber si esa empresa se interesaría por la tecnología. Como el enfoque de ella era la tecnología de la información, la idea no fue aceptada. “Entonces, en 2006, decidimos fundar otra firma para transformar la investigación realizada por Ruller y Ward en tecnología”, relata Lourenzoni.

En aquella época, Verdartis participó en concursos de planes de negocios organizados por Supera, la Incubadora de Empresas de Base Tecnológica, creada en 2003, mediante una cooperación entre la USP, la Fundación Instituto Polo Avanzado en Salud (Fipase), la Municipalidad de Ribeirão Preto y el Sebrae. “Ganamos el concurso en 2007, y uno de los premios fue el derecho a contar con una oficina en la incubadora, que era muy pequeña y su espacio, muy disputado”, recuerda el director de Verdartis. “De esa manera, la empresa se creó en junio de ese mismo año, cuando solicitamos un proyecto Pipe, del cual fui coordinador”.

La financiación de la FAPESP hizo posible que la empresa avanzara en el desarrollo de tecnologías a partir de lo que se transfirió desde el laboratorio de Ward. Le siguieron otros proyectos aprobados por el Pipe. El segundo, aprobado en 2009, fue para el desarrollo del biproceso para la producción de enzimas. Todavía en ese mismo año, Verdartis contó con un tercer proyecto aprobado en la FAPESP, en esta ocasión, un Pipe para la creación del software como auxiliar para el desarrollo de catalizadores in silico (en computadora). La empresa también recibe recursos de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep) y de dos socios particulares.

En 2011, comenzó el cuarto Pipe, el cual se encuentra en vigencia, con el objetivo de mejorar la eficiencia catalítica de las enzimas, en altas temperaturas y con  pH  entre 8 y 10. En 2012, Verdartis aprobó en la disposición Pipe-III, su quinto proyecto, para desarrollar parte del escalonamiento del biproceso de producción de enzimas. Este proyecto está siendo apoyado por las empresas Suzano Papel e Celulose S/A, que tienen interés en ese desarrollo. El próximo paso consistirá en construir una fábrica con capacidad para la producción de cualquier catalizador, por medio de la fermentación de cualquier microorganismo. Para montarla, Verdartis se encuentra en tratativas con algunos posibles socios inversores.

En lo que depende de la evaluación de Suzano, las enzimas desarrolladas por la pequeña empresa de Ribeirão Preto tienen futuro. “Nosotros ya probamos la mayor parte de las existentes en el mercado, y siempre encontramos problemas”, comenta Augusto Fernandes Milanez, consultor de producción e investigación y desarrollo de la compañía. “Los dos principales son el alto costo y la gran cantidad de material orgánico que ellas liberan en los efluentes”. Por eso, Suzano está apoyando y orientando a Verdartis en el desarrollo de sus catalizadores, más allá de proveer la celulosa para los test y realizar ensayos y análisis de los resultados. “Esa empresa también ha logrado avances prometedores”, dice Milanez. “Cada vez que evaluamos el producto, constatamos evoluciones. Por eso divisamos potencial en las enzimas de Verdartis”.

Tampoco falta mercado potencial para esos catalizadores. Brasil es uno de los mayores y más modernos fabricantes de papel en el mundo, con 222 industrias en actividad y 2,2 millones de hectáreas de bosques plantados para fines industriales. Según datos de la Asociación Brasileña de Celulosa y Papel (Bracelpa), los ingresos de los exportadores del sector, durante 2011, fueron de 7.200 millones de dólares, un crecimiento del 6,2% en relación con 2010. De ese total, 5 mil millones de dólares corresponden a las exportaciones de celulosa, responsables por el 69,5% de los ingresos totales por exportaciones del segmento durante el año pasado. Como puede observarse, no escaseará el mercado para las enzimas blanqueadoras.

Los Proyectos
1. Persozyme – enzimas personalizadas creadas por evolución dirigida para utilización en bioblanqueado de pulpa de celulosa (nº 2007/51561-1); Modalidad Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador Marcos Roberto Lourenzoni – Verdartis; Inversión R$ 261.866,47 y US$ 72.891,00 (FAPESP)
2. Artizima – herramienta computacional para la evolución in silicode enzimas utilizadas en biorrefinerías (nº 2007/59308-3); Modalidad Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador Renato Luis Tame Parreira – Verdartis; Inversión R$ 79.120,80 (FAPESP)
3. Bioproceso de producción de enzimas para biorrefinerías de biomasa: blanqueado de celulosa (nº 2008/53426-7); Modalidad Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador Alvaro de Baptista Neto – Verdartis; Inversión R$ 141.712,46 y US$ 22.582,85 (FAPESP)
4. Desarrollo de enzimas para bioblanqueado de celulosa: servicio de personalización de enzimas mediante un proceso firme e innovador de ingeniería molecular (nº 2010/50328-4); Modalidad Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador Ninieve Aguiar Frattini – Verdartis; Inversión R$ 262.280,68 y US$ 145.863,76 (FAPESP)
5. Bioproceso de producción de enzimas para biorrefinería de biomasa: blanqueado de celulosa (nº 2011/51096-2); Modalidad Programa Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador Alvaro de Baptista Neto – Verdartis; Inversión R$ 64.463,72 y US$ 38.212,41 (FAPESP)

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