Bagazo de agave: de desecho agroindustrial a materia prima en las biorrefinerías

*Estefanía Sierra, *Jorge Alcaraz, *Ángeles Valdivia, *Alberto Rosas, *Martín Hernández, *Eduardo Vivaldo, **Alfredo Martínez.

El agave es una especie de planta del tipo de las suculentas que ha sido utilizada en Mesoamérica por más de 9 mil años para la obtención de fibras, azúcares y particularmente en México, en la fabricación de bebidas.

Estas últimas ocupan el principal uso del agave en México. Anualmente se emplean 1.5 millones de toneladas de esta planta en la elaboración de bebidas como tequila, mezcal, sotol, bacanora y raicilla.

Luego de extraer del agave con todos los compuestos requeridos para la fabricación de los licores, queda un remanente vegetal que se conoce como bagazo, del que se generan al año alrededor de 360 mil toneladas. Este residuo agroindustrial es abundante en la zona de denominación del tequila.

El bagazo de agave es valioso como precursor de compuestos que podrían ser aprovechados en diferentes industrias, por ejemplo, en la producción de biocombustibles como el etanol.

Al disponer de materia prima para obtener este biocombustible, de interés en un mundo que busca fuentes de energía menos contaminantes, crece la posibilidad de impulsar la construcción de biorrefinerías, las cuales se vislumbran como sustitutas de las refinerías productoras de gasolinas y otros derivados del petróleo.

Históricamente, no se le ha dado un uso importante al bagazo de agave, siendo la industria de papel y fibras las únicas que han mostrado algún interés en este material, aunque solamente a pequeñas escalas de producción, por lo que la mayor parte de este bagazo resultante puede considerarse como un subproducto de desecho que se incinera o se descarga en suelos y aguas, generando contaminación.

Recientemente, el uso del bagazo de agave ha cobrado importancia para la obtención de productos de interés industrial como biopolímeros, biocombustibles, tensoactivos y quelantes entre otros, debido a que sus compuestos pueden ser convertidos por métodos biotecnológicos o químicos en otras moléculas de utilidad, que purificadas le otorgan un valor agregado al desecho.

Moléculas preciadas

Pero para comprender cómo se convierte el bagazo de agave en los productos mencionados, debemos entender su composición en una estructura denominada lignocelulósica.

La lignocelulosa es un material encontrado ampliamente en la naturaleza, pero tiene una composición compleja conformada principalmente por dos polímeros de carbohidratos: celulosa y hemicelulosa, y un polímero aromático: lignina; un ejemplo de lignocelulosa que a diario vemos es el tronco de un árbol.

Los polímeros naturales son moléculas de gran tamaño conformadas por moléculas simples (llamados monómeros), unidas por enlaces químicos. La celulosa se encuentra construida de moléculas de glucosa, perteneciente al grupo de las hexosas o azúcares de seis carbonos; la hemicelulosa está formada principalmente de monómeros de xilosa que es un azúcar de cinco carbonos o pentosa, y la lignina es un polímero amorfo de compuestos aromáticos y otras moléculas.

Igualmente, aunque en cantidades muy pequeñas, hacen parte de la estructura lignocelulósica otros azúcares como arabinosa, manosa o galactosa. Las unidades más simples de estos polímeros tienen gran variedad de aplicaciones y en el caso de los azúcares como la glucosa, la encontramos en productos que consumimos a diario.

La glucosa es un monosacárido que podemos encontrar en diversos alimentos como las frutas y la miel; su uso más común es como edulcorante, es decir como endulzante de alimentos; sin embargo, los jarabes de glucosa también son empleados en la industria alimenticia de panadería, helados y repostería como estabilizantes, conservantes y agentes higroscópicos.

Cuando el bagazo de agave es sometido a ciertos tratamientos, la estructura lignocelulósica se rompe fragmentándose en los tres componentes principales y liberando los azúcares que contiene.

Dentro de este tipo de metodologías se encuentran los tratamientos termoquímicos, como por ejemplo el tratamiento del bagazo con ácidos diluidos en agua a temperaturas superiores a 130°C, que rompen principalmente la hemicelulosa y liberan xilosa, celulosa amorfa y lignina.

Sin embargo, la alta cristalinidad del polímero de celulosa, esto es, el extremo orden de sus cadenas poliméricas, la hace un material difícil de hidrolizar o romper en su unidad más simple: la glucosa, la fuente de carbono más apreciada en el campo de la biotecnología.

Por tanto, es necesario otro tipo de tratamiento para obtener esas codiciadas moléculas de glucosa, por ejemplo, el uso de mezclas de enzimas, conocidas como cocteles enzimáticos, se ha vuelto frecuente. Las enzimas son pequeños catalizadores bioquímicos, es decir, aumentan la velocidad de reacciones que de otra manera podrían tardar incluso años en ocurrir.

En el caso de la celulosa se requieren varias enzimas, denominadas en su conjunto celulasas, para lograr una hidrólisis o rompimiento eficiente en moléculas de glucosa.

Las endocelulasas se encargan de romper los enlaces no covalentes de la estructura amorfa de la celulosa dando lugar a cadenas más pequeñas del polímero de celulosa; las exocelulasas rompen el enlace glucosídico denominado β 1-4, el cual une los monómeros de glucosa, de los extremos de las cadenas generadas por las enzimas endocelulasas en pequeños fragmentos de 2 a 4 unidades de glucosa, y las celobiasas o β-glucosidasas, que catalizan la ruptura de los enlaces β 1-4 de los fragmentos pequeños obtenidos por acción de las enzimas exocelulasas, generando moléculas de glucosa libres.

Uso para obtener biocombustibles

La combinación de los pretratamientos mencionados permite producir jarabes de bagazo de agave ricos en azúcares de cinco y seis carbonos, que pueden ser utilizados como materia prima en la producción de compuestos de interés y valor agregado.

Añadiendo algunos ingredientes extra como nutrientes para bacterias o levaduras, se obtienen medios de cultivo adecuados para microorganismos productores de moléculas como el bioetanol, el biocombustible más ampliamente usado en el mundo, o el lactato, un precursor de polímeros plásticos biodegradables.

• En el caso del bioetanol o etanol carburante, por ejemplo, por cada tonelada de bagazo de agave seco se pueden generar hasta 320 litros de etanol carburante, que alcanzan para oxigenar (agregar 10% en volumen) 3200 litros de gasolina, con lo que podría llenarse el tanque de 45 litros de 71 automóviles.

Por otra parte, además del bioetanol y el lactato, son varios los productos que se obtienen a partir del bagazo de agave tratado, ya sea por procesos biotecnológicos o químicos, debido a que todas las fracciones resultantes del pretratamiento del bagazo pueden ser aprovechadas para generar diversos compuestos de valor agregado en un concepto conocido como biorrefinería.

De estas fracciones la más recalcitrante, es decir, difícil de convertir en monómeros u otros compuestos, es la lignina, que por métodos químicos es trasformada en lignosulfonato de calcio, un material tensoactivo y quelante ampliamente usado en la industria cementera y que tiene alto valor agregado.

Asimismo, la celulosa es purificada y comercializada tal cual, sin necesidad de transformarla en otros productos ya que tiene alta demanda para la fabricación de papel, cartón, fibras y maderas artificiales.

Con respecto a la hemicelulosa, puede ser destinada a la producción de etanol y lactato o de otros productos como el xilitol, un edulcorante bajo en calorías usado en la industria alimenticia, y los xilooligosacáridos, compuestos prebióticos estimulantes del crecimiento de bacterias y hongos benéficos para la salud intestinal.

Bacterias productoras de etanol

En el caso de los productos de la biorrefinería que se generan por métodos biotecnológicos como el etanol y el lactato ¿cómo pueden los microorganismos producirlos a partir de los medios tratados de bagazo de agave?

En el laboratorio de Ingeniería de Vías Metabólicas del Instituto de Biotecnología de la UNAM, se han modificado genéticamente bacterias, por ingeniería metabólica, para convertirlas en productoras eficientes de diversas moléculas de interés.

Por medio de técnicas especializadas de biología molecular, los investigadores del laboratorio han logrado crear cepas que pueden producir etanol o lactato de manera eficiente con altos rendimientos y productividades, es decir obteniendo altas concentraciones a gran velocidad, a partir de hidrolizados de bagazo de agave y otros desechos agroindustriales como residuos de maderas, olote de maíz y bagazo de caña.

Estas bacterias consumen los azúcares de los jarabes del bagazo y los convierten en los compuestos deseados, tal como si fueran pequeñas fábricas biológicas a las que entran azúcares y sale etanol o lactato, en un proceso denominado fermentación.

Sin embargo, hay otros aspectos a tener en cuenta cuando se trata del uso de microorganismos para producción, pues recordemos que ellos como nosotros, son seres vivos y requieren de condiciones ambientales específicas para poder vivir.

Es así que, para llevar a cabo el proceso de fermentación, el hidrolizado de bagazo de agave y las bacterias modificadas deben ponerse en equipos especiales llamados fermentadores o biorreactores, que son sistemas donde se pueden controlar variables como la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto y la agitación, entre otros.

El control de estas variables en los bioprocesos permite que los microorganismos puedan realizar la fermentación de manera eficiente, más aún si se tiene en cuenta que este es un proceso donde no solo la temperatura y pH son importantes para las bacterias, sino que el oxígeno presente debe ser muy poco o nulo para evitar la prevalencia de otras reacciones indeseadas diferentes al proceso fermentativo.

Luego de la fermentación del bagazo de agave con bacterias, los productos deben purificarse. En el caso del etanol, se debe separar del agua y demás remanentes del medio de cultivo. El método empleado para lograr este objetivo es un proceso que casi todos conocemos, la destilación, que se basa en la baja temperatura de ebullición del etanol con respecto a los otros componentes del medio, por lo que puede ser evaporado y posteriormente condensado para obtenerlo como un líquido puro.

Aunque una de las desventajas y, por tanto, mayores críticas que se han hecho al proceso, es la gran cantidad de agua que requiere para su realización. Este preciado recurso puede ser reutilizado varias veces disminuyendo en gran medida su impacto ambiental.

Luego de la destilación y la deshidratación, es decir, obtener el alcohol prácticamente al 100% sin agua, el etanol puro puede ser usado como oxigenante de la gasolina agregándolo a una concentración de 10 a 20% o incluso como biocombustible por sí mismo, usándolo en automotores acondicionados para funcionar con etanol únicamente.

• Nuestra propuesta es que es momento de dejar de ver el bagazo de agave y otros subproductos de la agroindustria como desechos contaminantes, o de difícil confinamiento, y reconozcamos el inmenso potencial que tienen como materias primas para la obtención de una gran variedad de productos valiosos en las biorrefinerías.

Esperamos que este concepto se nos haga cada vez más familiar y lo entendamos como el reemplazo de las refinerías tradicionales basadas en el petróleo en refinerías sustentables y menos contaminantes, reduciendo sustancialmente la generación de gases de efecto invernadero. Asimismo, es relevante reconocer el importante papel que las ciencias aplicadas en el campo de la biotecnología, la ingeniería química, la física, la biología y la agronomía cumplen en esta nueva revolución.

Fuentes:

Alvares, J.R., Martínez, M. A. y Martínez, A. (2014). "Volver al futuro: bioenergía, biocombustibles y biotecnología". Revista digital universitaria. 15(8) http://www.revista.unam.mx/vol.15/num8/art60/

Caspeta L., Caro-Bermúdez M. A., Ponce-Noyola T. y Martínez A. (2014) Enzymatic hydrolysis at high-solids loadings for the conversion of agave bagasse to fuel ethanol. Applied Energy. 113: 277–286. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.07.036

Martinez A., Rito-Palomares M., Castro-Montoya A.J. (2017) In Focus: Biotechnology and chemical technology for biorefineries and biofuel production. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 92:897-898. http://dx.doi.org/10.1002/jctb.5238

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