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Química

Gas valorado

En el marco de un proyecto se prevé el reaprovechamiento de CO2 para el cultivo de microalgas y cianobacterias

JOÃO CARLOS MONTEIRO DE CARVALHO/USPReactor: USP hace Spirulina con el dióxido de carbono producido por las fábricas de azúcar y etanol JOÃO CARLOS MONTEIRO DE CARVALHO/USP

Luego del aprovechamiento de la paja y del bagazo de la caña de azúcar – quemados en calderas para la generación de energía eléctrica – le ha llegado el turno ahora al dióxido de carbono (CO2) que surge del proceso de fermentación alcohólica en las refinerías azúcar y alcohol de utilización como un subproducto de alto valor agregado. Una investigación llevada a cabo en la Facultad de Ciencias Farmacéuticas (FCF) de la Universidad de São Paulo (USP) demostró que ese gas puede reaprovecharse para el cultivo de microorganismos fotosintetizadores, tales como microalgas y cianobacterias, con la posibilidad de empleárselos a éstos como materia prima en diversos procesos productivos en las industrias de alimentos, energía, medicamentos y cosméticos. Un ejemplo es la Spirulina platensis, una cianobacteria que puede utilizarse como complemento alimentario, ya que es fuente de proteínas y vitaminas, o incorporársela a los alimentos. Estos microorganismos también pueden utilizarse como pigmentos para generar colorantes naturales tales como clorofila y ficocianina.

Los microorganismos fotosintetizadores poseen a su vez altos tenores de ácidos grasos y podrían colaborar con la matriz energética nacional en la producción de biodiesel. Ya se están llevando adelante actualmente estudios en diversos países referentes a la obtención de biodiesel a partir de microalgas. Otras aplicaciones están relacionadas con la obtención de moléculas destinadas a la utilización en la industria farmacéutica, cosmética y química. Este trabajo, coordinado por el farmacéutico João Carlos Monteiro de Carvalho, del Departamento de Tecnología Bioquímico-Farmacéutica, generó una solicitud de patente y fue realizado en colaboración con el profesor Sunao Sato y de varios alumnos, además del investigador Attilio Converti, de la Universidad de Génova, Italia.

“Nuestro trabajo aborda el uso inmediato del CO2 en el cultivo de estos microorganismos, que utilizan la luz como fuente de energía, o su almacenamiento para una utilización futura”, explica Carvalho. A nivel mundial, las empresas que actualmente producen estos microorganismos utilizan CO2 comprimido purificado en cilindros, para que la producción sea factible. En el estudio de la USP se demostró que el gas producido en el reactor de fermentación alcohólica de las centrales puede inyectarse mediante burbujeo directamente en otros reactores en los cuales crecen las microalgas y las cianobacterias. El CO2 tiene una doble función. “Repone el carbono consumido por esos microorganismos en el proceso de fotosíntesis y, al mismo tiempo, mantiene el pH con el crecimiento de estos”, explica. Ése sería el empleo directo del CO2, que también podría ser purificado y retenido para su uso en otro momento. El almacenamiento se haría de la siguiente manera: el gas carbónico capturado en los equipos de fermentación alcohólica pasaría por un medio alcalino – como el hidróxido de sodio (soda cáustica), por ejemplo – y al reaccionar con éste formaría bicarbonato o carbonato de sodio, sustancias empleadas en el cultivo de las microalgas. “De esta manera, el gas carbónico podría retenerse como una solución alcalina líquida para su utilización posterior, en el período entre cosechas de la caña de azúcar, por ejemplo, cuando no hay caña para procesar y no se produce ni azúcar y ni alcohol ni CO2 en las refinerías”, explica Carvalho.

Etanol en gramos
El crecimiento de los microorganismos fotosintetizadores se hace dentro de reactores, que pueden ser cerrados o abiertos. En el laboratorio de la USP se realizaron pruebas con reactores cerrados de 3,5 litros, pero existen registros en la literatura científica de reactores abiertos de 5.000 metros cuadrados. “El tipo de reactor en el cual la cianobacteria o la microalga crece no afecta al proceso, toda vez que el principio de actuación del dióxido de carbono es en esencia el mismo”. El potencial de uso de ese gas como materia prima para el cultivo de los microorganismos es inmenso. De acuerdo con el investigador, por cada molécula de glucosa consumida en la fermentación alcohólica del jugo de la caña se registra la formación de dos moléculas de etanol y dos de CO2. Esto significa que por kilogramo de etanol producido se registra la formación de aproximadamente 0,96 kilogramo de anhídrido carbónico. Si se considera que la producción anual nacional de etanol en la cosecha 2008-2009 fue de 27.500 millones de litros -el equivalente a 21.700 millones de kilos-, se arrojaron a la atmósfera 20,8 millones de toneladas (t) de dióxido de carbono (un litro de etanol equivale a 0,789 kilogramo). Aun cuando casi la totalidad de ese gas es consumida por la plantación de caña, incluso el que es producido por los automóviles, en el proceso de fotosíntesis es posible comparar estas cifras con la emisión de un autobús alimentado con gasoil que circula en una gran ciudad, que es de 100 t de CO2 anuales. En la ciudad de São Paulo, por ejemplo, se genera alrededor de un millón de t anuales de dióxido de carbono con sus 10 mil ómnibus urbanos.

Además del CO2 generado en el proceso de fermentación alcohólica, el proyecto, que contó con financiación de la FAPESP, también previó la reutilización del gas proveniente de la quema de bagazo en los ingenios. En ese proceso, la generación de dióxido de carbono es aún mayor, del orden de 83 mil millones de kilos; eso si todo el bagazo se quemase para la producción de energía. Pero el CO2 en ese caso no es tan puro y debería pasar por un proceso de limpieza y purificación para su inyección en los reactores que contienen microalgas y cianobacterias. Este proyecto, de acuerdo con Carvalho, redundaría en una reducción de las emisiones de CO2 en el país.

La idea de aprovechar gases que contienen dióxido de carbono para el cultivo de microorganismos fue objeto de estudios en la década de 1980, que estuvieron a cargo del profesor Eugênio Acuarone, de la misma FCF-USP, cuyo grupo, en el marco de trabajo conjunto con la Universidad de Firenze, Italia, evaluó el efecto del CO2 de la fermentación alcohólica en la producción de la Spirulina maxima. “Pero en nuestra solicitud de patente presentamos métodos que contribuyen para hacer factible el uso del anhídrido carbónico producto de la fermentación del jugo de caña o de la quema del bagazo en el cultivo de microorganismos fotosintetizadores”, dice Carvalho.

El proyecto
Cultivo de Spirulina platensis (Arthrospira) en reactor tubular mediante el empleo de urea como fuente de nitrógeno y CO2 puro o proveniente de la fermentación alcohólica (nº 2006/56976-2); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador João Carlos Monteiro de Carvalho – USP; Inversión R$ 70.656,98 y US$ 37.145,92  (FAPESP)

Artículo científico
RODRIGUES, M.S. et al. Fed-batch cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensis: Potassium nitrate and ammonium chloride as simultaneous nitrogen sources. Bioresource Technology. v. 101, p. 4.491-98. 2010.

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