Impacto de la biotecnologia en el sector industrial y energetico (página 2)
También es importante señalar que otra
ventaja que presenta la utilización de biomasa en la
producción de biocombustibles es estimular la actividad
económica en las zonas rurales, y en concreto en las
agrícolas y forestales. No cabe duda que muchos cultivos o
tierras de labor que hoy en día se está pensando
abandonar o no cultivar, debido a la nueva reforma de la
Política Agrícola Común (PAC), pueden
encontrar una segunda oportunidad como cultivos
energéticos.
Así lo pone de manifiesto el informe "Una
Estrategia de Biocarburantes para España (2005- 2010)",
que indica la oportunidad que el sector de los biocarburantes
representa para el tejido agrario y la creación de puestos
de trabajo.
Los biocombustibles líquidos o biocarburantes se
obtienen por transformación de materias primas
específicas procedentes del sector agrícola siendo
los principales el bioetanol y el biodiésel.
El bioetanol es un alcohol que se produce
mediante fermentación a partir de cultivos de cereales,
remolacha, patata o caña de azúcar. Su uso permite
sustituir parcial o totalmente a las gasolinas o a los aditivos
que se utilizan en los motores de explosión para aumentar
el índice de octano. Entre las ventajas de su empleo se
encuentran que es un producto soluble en agua, mucho más
degradable que los hidrocarburos y su utilización supone
evitar la emisión a la atmósfera del CO2 procedente
del combustible fósil sustituido. Por cada litro de
gasolina sustituido se evita la emisión de 1,85 kg de CO2
(incluyendo la emisión debida a la combustión
directa así como la debida a los procesos de
extracción, transporte y refino). En la actualidad se
está desarrollando la producción de etanol a partir
de materiales celulósicos, existiendo varias plantas
piloto.
Recientemente se ha anunciado la apertura en Salamanca
de la primera planta de producción de bioetanol a partir
de celulosa, que se espera que sea operativa a finales de
2006.
El biodiésel se obtiene mediante la
transesterificiación de aceites vegetales y de
fritura y se utiliza como sustituto del
gasóleo de automoción. En Europa la mayor parte de
este aceite proviene de colza, pero en otros países
también se utilizan soja, girasol, cacahuete o palma
oleífera. Su fabricación es un proceso sencillo que
se realiza a temperatura moderada en presencia de un catalizador.
La utilización de biodiésel en lugar de
gasóleo supone evitar la emisión a la
atmósfera del CO2 procedente del gasóleo sustituido
y se puede considerar que por cada litro de gasóleo
reemplazado se evita la emisión de 2,38 kg de CO2,
correspondientes a la combustión directa del carburante y
a los procesos de extracción, transporte y refino.
Además de la reducción de emisiones de CO2, el
biodiésel no emite dióxido de azufre y se reduce la
emisión de partículas, metales pesados, CO, COV y
PAH.
La producción de biocarburantes en España
se inició en el año 2000 con una planta de
bioetanol construida en Cartagena y ha sufrido desde entonces un
incremento notable, contando a finales de 2004 con ocho
instalaciones. La capacidad que presentan estas instalaciones es
de 415.000 toneladas de bioetanol y 322.000 de
biodiésel.
En los próximos años es posible que a
estos biocombustibles se una el biobutanol. Se trata de un
alcohol semejante al etanol que presenta las ventajas de tener
menor presión de vapor y mayor tolerancia a la
contaminación con agua que las mezclas con gasolinas, lo
que facilita su distribución y almacenamiento. Se puede
obtener a partir de las mismas materias primas que el bioetanol
mediante la fermentación con la bacteria Clostridium
acetobutylicum.
El biogás procede de la digestión
de la biomasa en condiciones anaerobias por microorganismos
fermentadores del metano. Su composición es variable, pero
está formado principalmente por metano y CO2 y, en menor
proporción, nitrógeno, hidrógeno,
oxígeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. Su poder
calorífico está determinado por la
concentración de metano, que puede aumentarse eliminando
parte o todo el CO2 que lo acompaña. La ventaja que
presenta la producción de biogás es que como
materia prima pueden utilizarse residuos industriales y
municipales, material orgánico procedente de la
agricultura y ganadería, etc. No obstante, presenta
algunas limitaciones, como elevados costes de producción y
procesos de conversión biológica incompleta. Por
último se encuentra el hidrógeno,
considerado actualmente como un "vector energético"
similar a la electricidad, cuya combustión
produce agua y una gran cantidad de energía (27 Kcal/g).
La ausencia de producción de gases invernadero en su
combustión hace que se considere un combustible limpio. En
la actualidad se extrae de productos derivados del
petróleo, reformado de hidrocarburos y la electrolisis del
agua, pero existe la posibilidad de obtenerlo mediante reformado
de biomasa o bioetanol. Se están realizando
investigaciones sobre la producción biológica de
hidrógeno por microorganismos.
Existen determinadas algas verdes y cianobacterias
capaces de fijar hidrógeno a partir de agua mediante un
proceso fotobiológico que no requiere biomasa como
intermediario. Estos microorganismos poseen unas enzimas
denominadas hidrogenasas bidireccionales que, bajo ciertas
condiciones, son capaces de usar los electrones involucrados en
el proceso de fotosíntesis para reducir protones,
generando hidrógeno molecular.
La ventaja que posee esta alternativa es que la fuente
de electrones o poder reductor procede del agua, que es un
sustrato limpio y, en teoría, inagotable. No obstante, es
necesario continuar investigando con el fin de determinar las
condiciones óptimas para obtener una eficiencia elevada y
la posibilidad de reprogramar a estos organismos con el fin de
eliminar las pérdidas asociadas a la fijación de
carbono y formación de biomasa.
Tecnologías pertenecientes a la tendencia
tecnológica IV
• T24: Optimización biológica de la
producción de bioetanol a partir de
almidón.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías
enzimáticas de hidrólisis de celulosa y
hemicelulosa para la producción de
biocombustibles.
• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos
de transformación para la producción de
biocombustibles a partir de materias residuos
orgánicos.
• T27: Producción biológica de
hidrógeno.
3.5. Tendencia tecnológica V
Biotecnología ambiental
Como se viene indicando a lo largo del informe, la
tendencia actual es reducir en la medida de lo posible las
emisiones y los vertidos de residuos contaminantes. Sin embargo,
este concepto no ha existido siempre, de modo que existen gran
cantidad de suelos, aguas y sedimentos que se encuentran
contaminados por vertidos procedentes de distintas industrias. El
origen de esta contaminación es muy variado: desde un
enriquecimiento en materia orgánica de cauces de
ríos por vertidos de industrias agroalimentarias
(incluyendo explotaciones ganaderas y agrícolas), hasta la
acumulación de compuestos tóxicos como metales
pesados, hidrocarburos halogenados, pesticidas, fármacos,
aceites minerales e incluso radionucleidos, que pueden resultar
muy persistentes. Muchas de estas sustancias se acumulan en los
organismos vivos, pudiendo pasar incluso a la cadena alimentaria,
por lo que en muchos casos la importancia de su
eliminación no es sólo medioambiental, sino que
puede ser un asunto de salud pública.
El tratamiento de suelos contaminados es costoso y lento
y, en muchas ocasiones, puede conllevar la inutilización
del suelo en cuestión (tratamientos químicos de
inertización, lavado de suelos, soterramiento, etc.). La
utilización de microorganismos o plantas para realizar
estos tratamientos (biorremediación o
fitorremediación) se plantea como una alternativa con
menores costes y menor impacto ambiental.
En función del compuesto que se desea eliminar
pueden usarse distintos organismos y distintas estrategias.
Existen microorganismos capaces de degradar compuestos de
difícil eliminación, o metabolizar ciertos
compuestos tóxicos, produciendo otros con menor toxicidad
o incluso inocuos. Estos tratamientos pueden realizarse in
situ o bien ex situ, mediante el uso de reactores.
En otras ocasiones, cuando un contaminante no puede degradarse,
se recurre a su bioacumulación en los tejidos de plantas o
microorganismos. La eliminación posterior de la biomasa
generada en estos sustratos permite la descontaminación de
los mismos.
Existen diferentes proyectos que han permitido
desarrollar productos biológicos formulados con
microorganismos naturales destinados a la biorremediación
de aguas y suelos contaminados.
Algunos ejemplos de tratamientos son la reducción
del contenido de amonio en efluentes mediante la
utilización de cepas de Nitrosomonas y
Nitrobacter o la degradación de grasas,
proteínas y azúcares mediante la utilización
de cepas de los géneros Azotobacter, Bacillus,
Pseudomonas y Chaetomium. En España existen
empresas que poseen distintos productos de este tipo, incluyendo
detergentes biológicos de hidrocarburos, desengrasantes y
desatascadores biológicos de grasas, así como
productos para el tratamiento biológico de fosas y
tratamiento biológicos inodoros.
Un proyecto interesante en este campo ha sido el
tratamiento de las playas de la costa asturiana contaminadas por
el fuel del Prestige, mediante inoculación de varias cepas
de los géneros Corinebacterium y
Pseudomonas sobre sustratos rocosos impregnados con
fuel. Dichas cepas fueron aisladas previamente del entorno
contaminado y producidas en fermentadores a escala
semi-industrial. Como resultado de esta
actuación se ha podido confirmar una
reducción de más del 50% de distintas fracciones de
fuel contaminante en un periodo de 15 días.
Otro problema medioambiental que presenta una
importancia enorme es el de las emisiones de gases relacionados
con el efecto invernadero. El dióxido de carbono es un gas
con un importante efecto invernadero cuyas emisiones han
aumentado de manera considerable, debido principalmente a la
acción del hombre.
En espera de tecnologías limpias de
combustión para los combustibles fósiles que no
emitan gases contaminantes, se hace necesario el desarrollo de
tecnologías de captura, transporte y almacenamiento para
el CO2 que permitan eliminar al menos una parte de los gases que
se están emitiendo en la actualidad. La posibilidad de
incrementar la retención de CO2 en sistemas
biológicos, en sedimentos o en océanos, constituye
una aproximación muy importante para solucionar estos
temas. La Biotecnología podría aportar
ciertas "soluciones", como el desarrollo de plantas que
acumulasen biomasa en sistemas radiculares o mejora del proceso
fotosintético en sí mediante la mejora de la
eficiencia de la enzima rubisco, responsable de la
fijación del CO2 durante la fotosíntesis.
Además, la Biotecnología constituye una herramienta
esencial para poder comprender las relaciones complejas que
existen en las comunidades marinas, que permitirían
desarrollar enfoques respetuosos con estos
ecosistemas.
Tecnologías pertenecientes a la tendencia
tecnológica V
• T28: Remediación y depuración
biológica con plantas: recuperación de iones
metálicos, reducción de emisiones de gases
contaminantes, biodegradación de pesticidas y
contaminantes orgánicos y tóxicos.
• T29: Remediación y depuración
biológica con microorganismos: recuperación de
iones metálicos, reducción de emisiones de gases
contaminantes, biodegradación de pesticidas y
contaminantes orgánicos y tóxicos.
• T30: Desarrollo de tecnologías
biológicas avanzadas que mejoren o aumenten los procesos
naturales de captura de CO2 (ej. sistemas biológicos de
diseño, especies fotosintéticas).
• T31: Desarrollo de tecnologías de
desulfuración y desnitrogenación de combustibles
basadas en microorganismos y enzimas
específicas.
3.6. Otras tecnologías
Por último, es necesario señalar otras
tecnologías que jugarán un papel importante en los
próximos años, y cuyo desarrollo influirá
sobre las tendencias anteriores.
A lo largo de la realización de este estudio se
han identificado tres áreas tecnológicas de
especial interés para la Biotecnología industrial y
energética: cambios de escala en la
producción industrial, nanotecnología y
extracción de metabolitos y compuestos
activos.
Los cambios de escala en la producción industrial
son indispensables para reproducir las condiciones de laboratorio
o planta piloto en una planta de producción industrial. En
este sentido el desarrollo de modelos cinéticos
predictivos del comportamiento de microorganismos, la
simulación de procesos completos o la
automatización de las condiciones de cultivo son
áreas de especial interés para el
futuro.
La Nanotecnología constituye en la actualidad uno
de los campos de investigación más prometedores.
Los conceptos de Nanociencia y Nanotecnología engloban el
estudio, obtención y manipulación de materiales,
sustancias y dispositivos en la escala nanométrica. Se
trata de un campo de investigación multidisciplinar que
incluye áreas como la física, química o la
ingeniería, pero también otras como la
biología, la medicina o el medio ambiente. Sus posibles
aplicaciones se consideran enormes, ya que la
Nanotecnología tiene cabida en prácticamente
cualquier campo que se pueda imaginar, pero es necesario tener un
conocimiento más profundo de lo que ocurre en este nivel
nanométrico para conseguir su materialización. En
el ámbito biotecnológico se podrían
señalar la administración de fármacos in
situ, la monitorización de parámetros
biológicos, el desarrollo de dispositivos de control de
sustancias combinando el desarrollo de nanomateriales con
moléculas de origen biológico (o
biotecnológico).
Por último, es importante señalar que el
campo de la extracción de metabolitos microbianos y de
extracción de compuestos activos vegetales ha
experimentado un importante auge en la última
década, empujada sin duda alguna por los alimentos
funcionales o los productos de dietética y
herboristería. La extracción y purificación
de estos metabolitos o compuestos activos acarrea la
utilización de tecnologías químicas,
físicas y biológicas, embebidas en sistemas de
procesos operativos industriales, que se mejoran y optimizan
día a día. Así por ejemplo: en Murcia, del
residuo de cosecha de la alcachofa se extrae y purifica
peroxidasa (enzima de uso en diagnóstico) e inulina
(oligosacárido de uso en alimentos funcionales); y en
Madrid, se extrae y comercializa internacionalmente vitamina E de
fuentes naturales para enriquecer alimentos.
Otras tecnologías
• T32: Desarrollo y empleo de modelos
cinéticos altamente descriptivos para el crecimiento y
producción de microorganismos, incluida la
simulación de procesos.
• T33: Mejoras y automatización en la
medición y control de las condiciones de cultivo y
producción (ej. transporte y consumo de
oxígeno).
• T34: Estudios de estrés en microorganismos
(ej. estrés hidrodinámico).
• T35: Convergencia de la bionanotecnología
para el desarrollo de múltiples dispositivos.
• T36: Nuevos desarrollos biotecnológicos
para la extracción de metabolitos microbianos y compuestos
activos vegetales.
Resultados de la
encuesta
A partir de las tecnologías que el panel de
expertos (ver Anexo III) consideró más relevantes
para el desarrollo de la Biotecnología en los procesos
industriales y de producción de energía, se
realizó un cuestionario que se envió a
investigadores del ámbito público, así como
a representantes del sector industrial. Este cuestionario
está diseñado de modo que permita valorar las
distintas tecnologías en cuanto a su grado de importancia,
a su posición competitiva frente a diversos factores y a
la fecha de materialización (ver Anexo IV). Para evaluar
el peso de las opiniones de cada participante se ha incluido una
pregunta inicial de autoevaluación sobre el grado de
conocimiento que poseen sobre cada tecnología.
A continuación se incluyen los resultados
obtenidos.
El análisis estadístico general queda de
la siguiente manera:
• Número de cuestionarios enviados:
254.
• Número de cuestionarios respondidos:
71.
• Tasa de respuesta del cuestionario:
28%.
Distribución de la
participación
Los cuestionarios recibidos proceden de investigadores y
expertos en el campo de la Biotecnología orientada a los
procesos industriales y la producción de energía,
pertenecientes a universidades, centros tecnológicos y de
I+D y empresas, tanto industriales como
tecnológicas.
La distribución de la participación por
tipo de centro tiene una distribución polarizada: la mitad
de las respuestas corresponden a universidades, y la otra mitad a
centros de I+D y empresas, que contribuyen con
prácticamente un cuarto de las respuestas cada uno de
ellos.
Es importante señalar que en este caso la
respuesta obtenida del sector industrial, es muy superior a la
obtenida para realizar los informes del impacto de la
Biotecnología en otros sectores como el agrario y
sanitario.
Más del 80% de los cuestionarios recibidos
corresponden a las comunidades autónomas de Madrid,
Cataluña, Andalucía, Asturias, Murcia y Valencia,
presentando las cuatro últimas un índice de
participación muy similar.
La distribución de participación por
comunidad autónoma es similar a la distribución del
envío de los cuestionarios.
Nivel de conocimiento de los
encuestados
El cuestionario sobre tecnologías se inicia con
una primera pregunta de autoevaluación, que permite
establecer el nivel de conocimiento de los
encuestados.
En concreto, el 55% de los expertos encuestados
declaró tener un conocimiento alto o medio de las
tecnologías, mientras que el 45% declaró disponer
de un conocimiento bajo.
El alto número de respuestas con nivel de
conocimiento bajo podría dar lugar a desviaciones altas,
en las respuestas dentro de una misma tecnología, sin
embargo y como se observará a lo largo de los
próximos gráficos, estas desviaciones no han sido
significativas.
Tecnologías con mayor nivel de conocimiento
declarado por los encuestados
• T15: Secuenciación del genoma completo de
microorganismos de interés industrial.
• T2: Aislamiento, selección y mejora de
cepas microbianas para biotransformación y
bioproducción-explotación de la variabilidad
natural.
• T21: Sistemas de expresión y
purificación de proteínas que permitan el escalado
eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas
con múltiples aplicaciones.
• T16: Realización de mapas genéticos
de microorganismos de interés industrial.
La distribución de la respuesta sobre el nivel de
conocimiento tecnológico por tendencias
tecnológicas, pone de manifiesto que en todas éstas
se sigue una distribución parecida, salvo en
biotransformación, en donde la respuesta de conocimiento
medio es la primera elección.
Grado de importancia de las
tecnologías
En la encuesta de tecnologías críticas, y
después de la autoevaluación del encuestado, la
primera pregunta es el grado de importancia de las
tecnologías, pudiendo ser alto, medio, bajo o irrelevante.
Como resultado a esta pregunta es importante señalar el
alto grado de importancia cosechado, ya que más del 90% de
las respuestas inciden en la trascendencia (importancia alta y
media) de las 36 tecnologías encuestadas.
Tecnologías con mayor grado de
importancia
• T35: Convergencia de la bionanotecnología
para el desarrollo de múltiples dispositivos.
• T14: Identificación, aislamiento,
purificación y expresión de enzimas industriales
por tecnologías de alto rendimiento.
• T21: Sistemas de expresión y
purificación de proteínas que permitan el escalado
eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
• T7: Nuevos procesos enzimáticos,
microbianos o microbiológicos para
biotransformación y producción de compuestos
químicos, compuestos quirales y
polímeros.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías
enzimáticas de hidrólisis de celulosa y
hemicelulosa para la producción de
biocombustibles.
Posición competitiva de
España
La siguiente pregunta, en el cuestionario de
tecnologías críticas, consistía en valorar,
por su posición competitiva, una serie de factores que
inciden de manera directa en dicha competencia y que incluyen los
siguientes:
• Conocimiento tecnológico.
• Presencia industrial.
• Recursos económicos.
• Equipamientos en red/servicios.
• Legislación.
Como resultado de esta evaluación, el 75% de los
encuestados han mostrado que la posición competitiva de
España, medida por los factores enumerados con
anterioridad, es menos ventajosa o claramente desaventajada
frente a sus competidores o rivales. Los factores competitivos
mejor valorados son el
conocimiento científico, el conocimiento
tecnológico y los recursos humanos, por orden de
valoración positiva. Mientras que los factores
competitivos peor valorados son los recursos económicos,
la presencia industrial y los equipamientos en red y/o servicios
y la legislación, por orden de valoración
negativa
Tecnologías con mayor grado de
competencia
• T24: Optimización biológica de la
producción de bioetanol a partir de
almidón.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías
enzimáticas de hidrólisis de celulosa y
hemicelulosa para la producción de
biocombustibles.
• T8: Biocatálisis para la producción
de productos farmacéuticos.
• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos
de transformación para la producción de
biocombustibles a partir de materias residuos
orgánicos.
• T21: Sistemas de expresión y
purificación de proteínas que permitan el escalado
eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
En este contexto, es importante señalar que el
conocimiento científico es el único factor
competitivo, de los analizados, que cosecha más respuestas
positivas que negativas a su posición
competitiva.
Este hecho refuerza la idea de que cualquier
acción encaminada a mejorar nuestra capacidad competitiva
en Biotecnología industrial energética, debe
pivotar sobre los investigadores. La posición competitiva
de España por factores, se representa en el siguiente
gráfico.
Fecha de materialización de las
tecnologías
Por último, el cuestionario solicita una
estimación razonable del tiempo de materialización
o realización de cada tecnología en concreto,
pudiendo posicionarse el encuestado en cuatro horizontes
temporales: 2005-2010: 2010-2015; 2015-2020; y
>2020.
Según los expertos consultados la gran
mayoría de las tecnologías se materializarán
a lo largo del primer periodo de tiempo, 2005-2010, quedando
alguna relegada para el segundo y tercer periodo de tiempo,
2010-2015 y 2015-2020, y tan sólo una tecnología,
la producción biológica de hidrógeno, para
el último periodo de tiempo, >2020.
Tecnologías con mayor grado de
proximidad
• T4: Mejoras tecnológicas en la
producción, purificación y estabilización de
enzimas de uso industrial.
• T3: Nuevos desarrollos tecnológicos para
la inmovilización de enzimas y microorganismos.
• T2: Aislamiento, selección y mejora de
cepas microbianas para biotransformación y
bioproducción-explotación de la variabilidad
natural.
• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas
con múltiples aplicaciones.
• T15: Secuenciación del genoma completo de
microorganismos de interés industrial.
• T21: Sistemas de expresión y
purificación de proteínas que permitan el escalado
eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
• T24: Optimización biológica de la
producción de bioetanol a partir de
almidón.
Selección
de tecnologías críticas
A continuación se procede a realizar la
selección de las tecnologías críticas de
entre las 36 encuestadas, y para ello se realiza un sencillo
ejercicio que consiste en valorar cada una de las
tecnologías en función de tres parámetros
básicos: la importancia, las capacidades y la proximidad
temporal. Cada uno de estos parámetros se ha normalizado
en base a las respuestas obtenidas en el cuestionario, si bien
eliminando aquellas respuestas donde el encuestado se declara con
bajo conocimiento sobre esta tecnología. Así pues a
todas y cada una de las tecnologías se les asigna tres
índices (ver Anexo V): Índice del Grado de
Importancia (IGI). Índice del Grado de Capacidades (IGC).
Índice del Grado de Proximidad Temporal (IGP).
La utilización de estos índices permite la
representación cartesiana de la posición en que se
encuentran las 36 tecnologías encuestadas: en el eje
vertical se encuentra la importancia, en el eje horizontal las
capacidades y por último, el diámetro de la burbuja
indica la proximidad temporal. Si sobre esta
representación trazamos una línea horizontal sobre
la media de la importancia y una línea vertical sobre la
media de capacidades, queda el gráfico dividido en cuatro
cuadrantes, siendo el cuadrante superior derecho el que incluye
las tecnologías críticas. Repitiendo este ejercicio
en dos ocasiones se puede llegar a identificar un número
reducido de tecnologías "supercríticas".
Por último citar que el resultado de este
ejercicio se puede modular por dos vías:
A través del diámetro de las burbujas,
pues si alguna tecnología con alta proximidad (gran
diámetro de burbuja) se encuentra fuera del cuadrante de
tecnologías críticas, se puede reconsiderar su
inclusión; y también puede modularse con el Panel
de Expertos, pues si alguna tecnología de gran
interés queda fuera del cuadrante de tecnologías
críticas, dicho panel puede recomendar reconsiderar su
inclusión en el grupo de tecnologías
críticas.
Tecnologías críticas
• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas
con múltiples aplicaciones.
• T3: Nuevos desarrollos tecnológicos para
la inmovilización de enzimas y microorganismos.
• T4: Mejoras tecnológicas en la
producción, purificación y estabilización de
enzimas de uso industrial.
• T8: Biocatálisis para la producción
de productos farmacéuticos.
• T14: Identificación, aislamiento,
purificación y expresión de enzimas industriales
por tecnologías de alto rendimiento.
• T21: Sistemas de expresión y
purificación de proteínas que permitan el escalado
eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
• T24: Optimización biológica de la
producción de bioetanol a partir de
almidón.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías
enzimáticas de hidrólisis de celulosa y
hemicelulosa para la producción de
biocombustibles.
• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos
de transformación para la producción de
biocombustibles a partir de materias residuos
orgánicos.
Además, en esta selección de
tecnologías se incluirán dos más que el
panel de expertos consideró de relevancia. Se trata de las
tecnologías número 22 y 35.
• T22: Sistemas de control de expresión de
múltiples genes para ingeniería metabólica y
producción de sistemas enzimáticos complejos
(Biología de Sistemas).
• T35: Convergencia de la bionanotecnología
para el desarrollo de múltiples dispositivos.
Fichas
tecnológicas
Tecnología crítica I
Nuevas enzimas
Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con
múltiples aplicaciones.
Descripción
El uso de enzimas como biocatalizadores en procesos de
síntesis, transformación y degradación de
productos químicos es una tecnología
metodológicamente establecida que se presenta como una
tendencia de futuro en la industria química,
farmacéutica, alimentaria, etc., debido a las propias
características de especificidad y eficiencia de la
catálisis enzimática y, sobre todo, por tratarse de
una tecnología limpia, de baja demanda energética y
no agresiva con el medio ambiente. Esta área
tecnológica permite tanto el descubrimiento de nuevas
enzimas, ya presentes en la naturaleza, como rediseñar
nuevas enzimas con nuevas propiedades, de actividad o
funcionalidad, utilizando en estos últimos las
herramientas de evolución dirigida e ingeniería de
proteínas.
Aplicaciones
Si bien ya se dispone de determinadas enzimas
industriales (especialmente hidrolasas), con aplicaciones en
detergencia, procesado de alimentos, degradación de
biomasa, pulpa de papel, etc., todavía son pocos los
procesos enzimáticos en química transformadora
adaptados al uso industrial. Algunas de estas nuevas aplicaciones
incluyen la síntesis de productos químicos tanto en
química de base como en
química fina (ej. uso de esterasas en mezclas
racémicas); producción de nuevos materiales y
compuestos de interés industriales (ej.
biopolímeros); y producción de biocombustibles,
entre otras. Un buen ejemplo en esta área son las lipasas,
que han sido mejoradas por mutagénesis dirigida y que son
utilizadas para la síntesis de tensioactivos,
resolución de mezclas racémicas o el curado de
quesos.
Posición
Excelente conocimiento científico a nivel
nacional si bien la poca presencia industrial y la falta de
recursos económicos no han permitido el desarrollo
tecnológico, hasta la fecha.
Ventajas
Gran interés en el sector de la
Biotecnología Industrial para sustituir o adaptar procesos
químicos convencionales por procesos enzimáticos
como tecnologías limpias. España dispone de un buen
conocimiento científico en esta área.
Limitaciones
A pesar de existir una fuerte demanda por este tipo de
tecnología en sectores tradicionales como el textil,
papelero, curtido, farmacéutico, materiales… en
España disponemos de poca capacidad tecnológica
(ej. plataformas de High Throughput Screening) para satisfacer
esta demanda.
Medidas
Fomentar proyectos conjuntos entre empresas y grupos de
investigación para el desarrollo de aplicaciones
concretas.
Indicadores de seguimiento
Principalmente patentes españolas, además
de proyectos de I+D y publicaciones.
Fecha de materialización
2005-2020
Tecnología crítica II
Inmovilización de enzimas
Desarrollos tecnológicos para la
inmovilización de enzimas y microorganismos.
Descripción
La inmovilización de enzimas y microorganismos
consiste en la reducción de los grados de libertad de
movimiento de los mismos mediante su unión a un soporte,
su atrapamiento en una matriz o su adsorción sobre una
superficie. La inmovilización de enzimas permite la
obtención de derivados enzimáticos más
estables que la enzima en disolución que, además,
pueden ser reutilizados, fácilmente separados de los
productos del componente catalítico y permiten un
diseño y control más sencillo de los mismos, ya que
pueden asimilarse a catalizadores químicos. En el caso de
los microorganismos su inmovilización en soportes
adecuados permite separar la biomasa celular catalítica de
la fase que contiene los sustratos y productos, así como
desacoplar el crecimiento microbiano de los procesos.
Aplicaciones
Utilización de enzimas inmovilizadas:
Producción de L-aminoácidos, mediante el
uso de L-aminoacilasa; producción de jarabes de fructosa
mediante glucosa isomerasa; e hidrólisis de lactosa en
leche mediante ß-galactosidasa, entre otros.
Utilización de microorganismos:
Producción de etanol mediante células
inmovilizadas de Saccharomyces; y producción del
aminoácido L-aspártico, entre otros.
Posición
Tal y como refleja el gráfico de posición
global, la proximidad temporal de esta tecnología es
más que inminente, es ya una realidad.
Ventajas
Se dispone de buen conocimiento científico y
tecnológico. Es la única metodología para
desarrollar procesos industriales catalizados por enzimas, por lo
que se considera insustituible.
Limitaciones Apenas se dispone de empresas que
desarrollen esta tecnología.
Medidas Incentivar el escalado de la
tecnología a nivel industrial y su
implantación.
Indicadores de seguimiento
Seguir los procesos industriales en curso o en
desarrollo.
Fecha de materialización
2005-2020.
Tecnología crítica III
Optimización de enzimas
industriales
Mejoras tecnológicas en la producción,
purificación y estabilización de enzimas de uso
industrial.
Descripción
La optimización de enzimas industriales tiene
como objetivo principal mejorar los rendimientos, los costes y
las condiciones de trabajo de estos biocatalizadores. En
principio, los esfuerzos se dirigen a mejorar tres aspectos
concretos: la producción, la purificación y la
estabilización. En materia de producción se
están haciendo importantes avances para aumentar el grado
de expresión de la proteína objetivo por encima de
100 mg/l de cultivo. Para conseguirlo en la actualidad se
utilizan nuevos vectores para expresión heteróloga
mucho más eficientes y que pueden ser utilizados en una
gran batería de huéspedes, en concreto bacterias u
hongos/levaduras (estreptomicetos, rodococos,
pseudomónadas, Pichia pastoris…) que a su
vez han sido especialmente elegidos, mediante selección
genética o modificación genética, para
obtener altos rendimientos y/o actividades
enzimáticas.
Aplicaciones
La obtención de enzimas más o menos
purificadas (en función de su aplicación) a unos
precios entre 5 y 10 veces menores que los actuales,
permitirá la industrialización de procedimientos
alternativos a los solamente físico-químicos, en
los que uno o varios pasos sean realizados con catalizadores
biológicos. Con dichos avances, las enzimas son y
serán ampliamente utilizadas en una gran variedad de
procesos industriales, incluyendo agroalimentación
(síntesis de alimentos nutricionales como vitaminas y
triglicéridos estructurados, o funcionales como
prebióticos, flavonoides, esteroides, ácidos
poliinsaturados), química verde, biorremediación y
biodesulfuración de petróleo, entre
otras.
Posición
La proximidad temporal es la más alta, se trata
pues de una tecnología actual susceptible de mejoras
puntuales que redunden en mayor eficiencia.
Ventajas
En España disponemos de un buen conocimiento
científico y tecnológico, así como de un
marco legal y reglamentario favorable.
Limitaciones
La escasez de presencia industrial, de recursos
económicos y de infraestructuras que puedan utilizarse en
colaboración o régimen de servicio, lastra de
manera significativa el desarrollo de esta área
tecnológica.
Medidas
Programas y fondos públicos y/o privados tanto a
las Empresas de Biotecnología para que sean competitivas,
como para la formación de spin-offs.
Indicadores de seguimiento
Seguir la diseminación de resultados de
investigación (patentes, publicaciones,
informes).
Fecha de materialización
2005-2020.
Tecnología crítica IV
Bioproducción de
fármacos
Biocatálisis para la producción de
productos farmacéuticos.
Descripción
El uso de biocatalizadores en la preparación de
fármacos es un proceso extraordinariamente simple,
especialmente cuando se usan enzimas hidrolíticas (ej.
lipasas). En los últimos años han mostrado utilidad
para la preparación de compuestos quirales de manera
enantiopura. Los compuestos quirales se caracterizan por la
presencia de uno o varios átomos, denominados
asimétrico o quiral, unido a cuatro
grupos distintos. Dichos grupos pueden adoptar distintas
posiciones en el espacio dando lugar a compuestos que pueden
presentar distintas propiedades químicas o
biológicas, pudiendo ser activos ambos compuestos,
sólo uno de ellos o incluso tener actividades distintas,
así como distinta toxicidad.
La importancia de los enantiómieros en la
industria farmacéutica es conocida desde que se
descubrieron los efectos teratógenos de uno de los
enantiómeros de la talidomida en los años
60.
Aplicaciones
A título de ejemplo se pueden destacar la
aplicación en las siguientes familias de
fármacos:
• Preparación del isómero más
activo en antiinflamatorios no estereoideos.
• Síntesis de antibióticos,
especialmente de penicilinas y cefalosporinas.
• Resolución enzimática de algunas
dihidropiridinas, que son antagonistas de calcio.
• Preparación del enantiómero
más activo de derivados adrenérgicos.
• Síntesis de algunos aminoácidos
presentes en fármacos.
• Síntesis de intermedios quirales para la
preparación de algunos antidepresivos.
Posición
La valoración global de esta tecnología es
superior a la media de las tecnologías seleccionadas.
Todos los parámetros que se tienen en cuenta para evaluar
la capacidad son superiores a la media de las tecnologías
seleccionadas, en especial el conocimiento científico y
tecnológico y la presencia industrial.
Ventajas
El uso de catalizadores metálicos conlleva a la
obtención de productos menos puros, y en algunos campos,
como en química farmacéutica, es fundamental no
arrastrar residuos contaminantes en el producto final. Esta
tecnología permite sustituir procesos industriales, buscar
nuevos nichos de mercado y cumplir con
los nuevos marcos legislativos (ej. REACH).
Limitaciones
La biocatálisis y la bioproducción
farmacéutica complementan o incluso sustituyen
procedimientos tradicionales, por lo que la barrera cultural es
en ocasiones limitante en la implantación de esta
tecnología.
Medidas
Facilitar la colaboración entre empresas
farmacéuticas y tecnológicas con grupos de
investigación. Los grupos de investigación
podrían ayudar a identificar nuevas cepas microbianas y
las empresas a caracterizar y optimizar enzimas.
Indicadores de seguimiento
Comprobar el número de patentes de procesos
biocatalíticos que están desplazando a los procesos
químicos cuando expira la patente.
Fecha de materialización 2005-2020 (en los
próximos años asistiremos a una optimización
de esta tecnología)
Tecnología crítica V
Alto rendimiento en producción
enzimática
Identificación, aislamiento, purificación
y expresión de enzimas industriales por tecnologías
de alto rendimiento.
Descripción
El creciente uso de enzimas en procesos industriales
desde hace más de dos décadas revela un
éxito que ha hecho cada vez más interesante revisar
procesos químicos por si pudiera existir una alternativa
catalizada enzimáticamente. Por tanto, la búsqueda
de nuevas enzimas desde la vasta diversidad natural, proyectos
genomas o por la misma evolución dirigida in
vitro de enzimas conocidas, es un área de gran
interés industrial. En este contexto, la necesidad de ser
competitivos produciendo y seleccionando nuevas enzimas en el
menor tiempo posible hace normal que la automatización
(High Throughput) cobre un protagonismo al mejorar el
rendimiento y acelerar el proceso de la identificación,
producción y purificación de nuevas
enzimas.
Aplicaciones
Los procedimientos de automatización de
identificación y producción enzimática se
aplican ya por algunas empresas industriales y/o
tecnológicas para satisfacer múltiples demandas
industriales, como la producción de biocombustibles o el
blanqueo del papel. La proteasa subtilisina, que representa el
35% del mercado de enzimas industriales, tiene patentes con
reivindicaciones que cubren sus 275 aminoácidos y
variantes, ya que se han realizado múltiples mutantes de
esta enzima, de manera automatizada que cubren aplicaciones tan
diversas como los detergentes y el tratamiento facial.
Posición
Importancia y proximidad temporal por encima de la
media, siendo la segunda tecnología más importante.
Capacidades ligeramente inferiores a la media debido
principalmente a la baja puntuación obtenida en
legislación.
Ventajas
La principal ventaja reside en el conocimiento acumulado
por los investigadores de universidades y centros
públicos, así como la buena formación de
todo el personal científico.
Limitaciones
No existe suficiente base teórica para predecir
cuál es el sistema de expresión y
purificación más apropiado para cada secuencia
polipeptídica, si bien muchos de ellos necesitan de
tecnología transgénica de alto coste de
implementación.
Medidas
Proyectos y redes de investigadores multidisciplinares
para el uso de equipos automatizados, contando con empresas
interesadas tanto como proveedores como desarrolladores de nuevas
tecnologías. Formación de ingenieros en
biotecnología y promover la generación de
spin-offs desde grupos de I+D.
Indicadores de seguimiento
Patentes, artículos científicos,
instalación de equipos de automatización de manejo
de microorganismos. Contratos firmados por los suministradores de
servicios. Creación de nuevas empresas relacionadas con la
producción y purificación de nuevas
enzimas.
Fecha de materialización
2006-2020.
Tecnología crítica VI
Escalado industrial de la
producción
Sistemas de expresión y purificación de
proteínas que permitan el escalado eficiente de la
producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
Descripción
En general, por cambio de escala se entiende el aumento
de escala de los procesos, es decir, el aumento de tamaño
de los equipos en que se realiza el proceso, de la escala de
laboratorio a la escala industrial, habitualmente pasando por
escalas o tamaños intermedios (planta piloto). Obtener
cantidades significativas de un producto (kilos e incluso alguna
tonelada, en lugar de gramos o miligramos), requiere operar de
una forma distinta a la de laboratorio, que es la escala a la que
normalmente el proceso ha sido determinado, comprobado y
descrito. Dos factores críticos en este proceso son:
optimizar el transporte, tanto de nutrientes al interior de las
células como de los productos, al exterior de las mismas,
para su posterior purificación; y alcanzar las
especificaciones de pureza de producto requeridos, ya que las
separaciones con membrana y cromatografía a escala
industrial ofrecen buenas expectativas, todavía se
necesitan nuevos avances tecnológicos.
Aplicaciones
• Industria agroalimentaria: producción de
renina para la industria de quesos (hongos, levaduras,
bacterias); ß-galactosidasa, para eliminar la lactosa de la
leche (levaduras); glucosa isomerasa (hongos).
• Uso farmacéutico o veterinario: penicilina
acilasa para síntesis de antibióticos (bacterias);
hormonas humanas o animales (bacterias, levaduras, células
de mamífero); factores de coagulación de la sangre
(bacterias, células de mamífero); vacunas
(levaduras); anticuerpos (células de
mamífero).
• Enzimas de interés industrial: fitasas,
amilasas, peptinasas, proteasas, peroxidasas, etc., de uso
agroalimentario o para la industria del textil (detergentes
incluidos), generalmente producidas en bacterias, hongos o
levaduras; celulasas, para la producción de combustibles
(hongos).
Posición
Capacidades muy semejantes a la media de las
tecnologías seleccionadas.
Presenta índices de proximidad temporal y de
importancia superiores a la media, siendo la tercera
tecnología más importante.
Ventajas
España dispone de buenos conocimientos
tecnológicos y de ingeniería, como lo demuestra el
hecho de la existencia de varias plantas de ensayo e incluso
plantas industriales para "bioproducir" biocombustibles y
antibióticos.
Limitaciones Algunos de los temas a resolver se
encuentran en la frontera del conocimiento.
Medidas
Incentivar el cambio de escala científico.
Programas específicos que permitan trasladar los
resultados de laboratorio a plantas industriales.
Indicadores de seguimiento
El desarrollo e implantación a nivel comercial de
nuevos procesos.
Fecha de materialización 2005-2020 (nuevos
procesos se escalarán a lo largo de los próximos
años).
Tecnología crítica VII
Bioetanol a partir de almidón
Optimización biológica de la
producción de bioetanol a partir de
almidón.
Descripción
La transformación del cereal en etanol se puede
conseguir de dos maneras diferentes, denominadas "molienda seca"
y "molienda húmeda" respectivamente. Ambos procesos
incluyen esencialmente las mismas etapas: preparación de
la materia prima, hidrólisis (a-amilasa y glucoamilasa),
fermentación de los azúcares simples (levaduras) y
recuperación del etanol y de los materiales residuales no
alcohólicos.
La principal diferencia es el tipo de material para ser
fermentado. En el proceso de molienda húmeda el cereal es
empapado y posteriormente molido mientras que en el proceso de
molienda seca el grano es molido en seco y posteriormente
empastado. La concentración final del etanol en el mosto
fermentado ronda el 11%, por lo que es necesario destilarlo hasta
el 96% aproximadamente y, posteriormente deshidratarlo hasta el
99.9% para uso como combustible.
Aplicaciones
Tipos de combustibles:
• ETBE: mezcla de bioetanol e isobuteno que sirve
como alternativa al MTBE que se obtiene a partir del
petróleo y se utiliza como mejorante del índice de
octano. Se mezcla hasta el 15%.
• Gasolinas oxigenadas: contienen hasta un 5% de
etanol sin necesidad de modificar el motor.
• E-85: combustible que contiene hasta el 85% de
etanol y sólo un 15% de gasolina
• E-diesel: se obtiene añadiendo etanol al
gasóleo convencional, junto con otros aditivos.
• Pilas o celdas de combustible (fuel
cells).
Posición
Capacidades superiores a la media de las
tecnologías seleccionadas, destacando frente a la media en
presencia industrial, recursos económicos y conocimiento
tecnológico.
Ventajas
Todos los factores competitivos son ventajosos si bien
el principal es la presencia industrial: la empresa
española Abengoa, a través de su filial Abengoa
Bioenergy, es uno de los líderes mundiales en
producción de bioetanol.
Limitaciones
Los biocombustibles, y en concreto el bioetanol,
todavía no han entrado con fuerza en los mercados
europeos, debido a fuerzas de mercado y a la necesidad de
desarrollar un programa claro de sustitución paulatina de
carburantes fósiles (ej., 30 by 30 en EE.UU.: 30% de
bioetanol en 2030).
Medidas
Promover la investigación aplicada en las etapas
biológicas de los procesos de obtención de
bioetanol que son los que más posibilidades ofrecen para
reducir los costes de producción.
Indicadores de seguimiento
Enzimas, levaduras o procesos biológicos
transferidos a la industria y con aplicación comercial
durante el periodo. El uso de bioetanol disminuye
considerablemente las emisiones contaminantes a la
atmósfera, por lo que el nivel de emisiones en un
país es un parámetro de seguimiento.
Fecha de materialización
2005-2020.
Necesidadesde I+D para producción de Bioetanol
a partir de almidón
• Incrementar la cantidad de almidón en
cultivo y/o facilitar su biodisponibilidad.
• Cócteles enzimáticos capaces de
hidrolizar el almidón residual desde el 10% al
4%.
• Enzimas tolerantes a medios
ácidos.
• Nuevas enzimas para la conversión de
azúcares C5.
• Mejoras enzimáticas para disminuir el
consumo energético en la etapa de
cocción.
• Cepas de levaduras tolerantes a mayores
temperaturas y concentraciones de etanol.
• Biotratamientos alternativos para la
digestión del almidón residual.
• Crecimiento de microorganismos para mejorar el
contenido proteico de DDGS.
Tecnología crítica VIII
Bioetanol a partir de celulosa
Desarrollo de nuevas tecnologías
enzimáticas de hidrólisis de celulosa y
hemicelulosa para la producción de
biocombustibles.
Descripción
En los procesos de producción de etanol basados
en hidrólisis enzimática es necesario realizar un
pretratamiento de la biomasa lignocelulósica (compuesta de
tres fracciones: celulosa cristalina, hemicelulosa y lignina) que
altere la compleja estructura de este tipo de materiales,
facilitando así la acción de las enzimas
celulolíticas. Tras la fase de pretratamiento se realiza
una etapa de hidrólisis en la que la celulosa se
transforma en glucosa (mediante celulasas) y esta es
posteriormente fermentada a etanol por la acción de
microorganismos (normalmente levaduras). Una vez obtenidos los
mostos azucarados se someten a un proceso de destilación y
posteriormente a una deshidratación hasta conseguir
bioetanol anhidro, que es la calidad necesaria para mezclas con
combustibles de origen fósil.
Aplicaciones
La utilización del bioetanol obtenido a partir de
celulosa no contribuye de manera neta a la emisión de CO2
y puede ayudar a mitigar el efecto invernadero, por lo cual se le
considera como uno de los combustibles más prometedores
para el futuro. Si bien todavía existen dudas sobre la
optimización técnica de este proceso en el corto o
medio plazo. En la actualidad existen diferentes instalaciones
piloto o de demostración de esta tecnología:
Arkenol, BCI, Masada, IOGEN, Etek y Biocarburantes de Castilla
y León.
Posición
Obtiene puntuaciones superiores a la media en todos los
factores, destacando frente a la media en recursos humanos y
económicos, presencia industrial y conocimiento
científico. La importancia y la proximidad temporal son
también superiores a la media.
Ventajas
La coyuntura actual del petróleo en precios
máximos históricos está favoreciendo el
desarrollo de fuentes energéticas y de materiales
alternativos, entre ellos el bioetanol a partir de
celulosa.
Limitaciones
Las principales limitaciones son de índole
técnico, es necesario mejorar los procesos de
hidrólisis enzimática y de fermentación
biológica.
Medidas
Avanzar en el desarrollo del pretratamiento y las etapas
basadas en procesos biológicos que son las que ofrecen
mayores oportunidades para reducir los costes finales del
bioetanol.
Indicadores de seguimiento
Establecimiento de las primeras instalaciones piloto y
de demostración.
Fecha de materialización
2005-2020.
Necesidades de I+D para producción de
Bioetanol a partir de celulosa
• Mejoras en los catalizadores biológicos
responsables de la hidrólisis de la celulosa
(cóctel de endo-glucanasas, exo-glucanasas y
ß-glucanasas más efectivos).
• Producción de enzimas on-site (en la misma
planta vegetal) para reducción de costes.
• Co-fermentación de hexosas y pentosas con
altos rendimientos.
• Destilación de mostos con bajo grado
alcohólico.
Tecnología crítica IX
Biocombustibles a partir de residuos
orgánicos
Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de
transformación para la producción de
biocombustibles a partir de materias residuos
orgánicos.
Descripción
Los residuos orgánicos son una interesante
materia prima para la obtención de biocombustibles
mediante procesos biotecnológicos. Algunos residuos pueden
ser transformados en metano mediante un proceso de
digestión anaerobia o fermentación microbiana en
ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de gases
(principalmente metano y dióxido de carbono), conocida
como "biogás". Además, una gran parte de los
materiales con alto contenido en celulosa (residuos de los
sectores agrícola, forestal e industrial) son susceptibles
de ser utilizados como materia prima para la producción de
etanol como combustible.
Por último, los aceites de fritura y las grasas
animales residuales pueden transformarse en biodiesel, que si
bien en la actualidad se produce a partir de la reacción
química de los triglicéridos y alcohol (etanol o
metanol) en presencia de catalizadores, originando ésteres
metílicos y etílicos, también puede
realizarse por técnicas biotecnológicas utilizando
lipasas.
Aplicaciones
La principal aplicación es obtener una nueva
fuente de energía renovable (biogás, bioetanol o
biodiesel) al tiempo que se reduce el crecimiento de los residuos
orgánicos. Otra aplicación futura en este campo
tecnológico es la creación de biorrefinerías
o industrias que integren los procesos de conversión de
biomasa y el equipamiento para producir un amplio rango de
productos (combustibles, electricidad y productos químicos
de valor añadido) a partir de biomasa. El concepto de
biorrefinería es análogo al que actualmente se
utiliza para las refinerías de petróleo que
producen múltiples combustibles y productos a partir del
petróleo.
Posición
La posición competitiva española en esta
tecnología es muy similar a la media de todas las
tecnologías analizadas, si bien hay una presencia
industrial mayor, y como consecuencia mayores recursos
económicos.
Ventajas
La principal ventaja es el atractivo que presenta esta
área tecnológica para la industria, tanto por la
coyuntura actual con el petróleo y sus derivados como por
las importantes inversiones públicas en materia
medioambiental.
Limitaciones
Al igual que con la anterior tecnología, la
principal limitación es técnica. Es necesario
mejorar los catalizadores biológicos responsables de la
hidrólisis de la celulosa (bioetanol) y de la
esterificación de los ácidos grasos
(biodiésel).
Medidas
Apoyar la investigación en el desarrollo de
procesos para los diferentes residuos considerados.
Indicadores de seguimiento
Establecimiento de plantas piloto y
demostración.
Fecha de materialización
2005-2020.
Necesidades de I+D para producción de
Biocombustibles a partir de residuos
Orgánicos
• Pretratamientos debido a la composición
heterogénea de los residuos, ya sean RSU, residuos
industriales, EDAR y ganaderos.
• Mejorar los catalizadores biológicos
responsables de la hidrólisis de la celulosa y de la
esterificación de los ácidos grasos.
• Destilación de mostos con bajo grado
alcohólico.
• Desarrollo de biorrefinerías.
Tecnología crítica X
Biología de sistemas
Sistemas de control de expresión de
múltiples genes para ingeniería metabólica y
producción de sistemas enzimáticos
complejos.
Descripción
Como Biología de Sistemas, entre otras
definiciones, se entiende el estudio de un organismo, observado
como un conjunto de redes integradas de sus genes,
proteínas y reacciones bioquímicas que expliquen la
fisiología de la célula y, en su caso, la de los
órganos, tejidos y la del propio organismo, que originan
la vida. Por tanto, su objetivo es la comprensión del
comportamiento de las redes biológicas y, en particular,
de sus aspectos dinámicos. La Biología de Sistemas
está caracterizada por una parte experimental de
manipulación del organismo y medida de las redes y otra
computacional de estructuración de la información,
modelado y simulación de las mismas, en respuesta a las
perturbaciones del sistema.
Aplicaciones
La principal aplicación es el diseño de
microorganismos optimizados para la máxima
obtención de metabolitos y/o productos activos. Así
por ejemplo se ha modificado adecuadamente Escherichia
coli para la producción de licopeno (pigmento natural
con propiedades anti-cancerígenas); Corynebacterium
glutamicum para la sobreproducción de lisina
(aminoácido esencial usado en alimentación humana y
animal); y Aspergillus terreus para sobre-expresar
lovastatina (antibiótico), entre otros. También se
ha
utilizado en la identificación de dianas
terapéuticas mediante modelos dinámicos de sistemas
biológicos en enfermedades específicas humanas como
asma, obesidad, artritis reumatoide y diabetes.
Posición
Importancia superior a la media de las
tecnologías seleccionadas. Sus capacidades y su proximidad
temporal son ligeramente inferiores a la media.
Ventajas
España dispone de una buena base de conocimiento
científico e infraestructuras científicas en
biología molecular, genómica y
bioinformática que pueden servir de base para la
Biología de Sistemas o comprensión de la actividad
funcional desde una perspectiva global de sistema.
Limitaciones
Las principales limitaciones son técnicas y
culturales: entre las primeras destacan la necesidad de disponer
de tecnologías de experimentación más
avanzadas y la estandarización de las bases de datos; y
entre las segundas, la escasa colaboración
interdisciplinaria entre ingenieros, físicos,
bioinformáticos y bioquímicos.
Medidas
Entre las medidas a implementar figuran la
creación de una red nacional de Biología de
Sistemas, estimular la formación de especialistas y
favorecer la creación de centros interdisciplinares y/o
parques científicos.
Indicadores de seguimiento
Número de proyectos, patentes y publicaciones en
Biología de Sistemas.
Fecha de materialización
2010-2025.
Tecnología crítica XI
Bionanotecnología
Convergencia de la bionanotecnología para el
desarrollo de múltiples dispositivos.
Descripción
La Nanobiotecnología es un área emergente
que implica la integración (convergencia) de la
Biotecnología con la nanofabricación, para el
desarrollo de nuevos dispositivos. Combina la ciencia de
materiales, de superficies, física y química con la
biología celular y molecular, la biofísica y la
microfluídica. Su principal potencialidad radica en el
hecho de poder trabajar a un nivel de la estructura de la materia
que llega a la molécula. Ello permite abrir todo un nuevo
paradigma de descubrimiento e innovación, del que sin duda
se generarán nuevas aplicaciones.
Aplicaciones
En una dirección, se podrán analizar y
caracterizar procesos celulares a nivel molecular (interacciones
entre moléculas, entre moléculas y las superficies
de las células, etc.), que permitirán un mayor
grado de comprensión de los procesos que ocurren a nivel
subcelular, la función de las biomoléculas y la
fisiología humana. En otra dirección, a partir de
bloques a nivel molecular y subcelular, se podrán
diseñar y nanofabricar nuevos dispositivos con
múltiples aplicaciones: análisis biomoleculares,
nuevos biosensores, microdinámica celular, biomateriales a
nanoescala, materiales biomiméticos y nuevos dispositivos
biomédicos, entre otros.
Posición
Es la tecnología que mayor importancia presenta,
aunque las capacidades son muy inferiores a la media en todos los
aspectos, obteniendo puntuaciones muy bajas en parámetros
como presencia industrial.
Ventajas
Existen en España buenos centros en todos los
dominios a integrar (Biotecnología,
Microelectrónica, Materiales, etc.), al tratarse de una
tecnología emergente, que ofrece oportunidades de
innovación.
Limitaciones
Lograr una buena convergencia y coordinación
entre campos que hasta ahora han trabajado por separado, con
orientaciones muy específicas.
Medidas
Incentivar acciones movilizadoras y de convergencia
tecnológica y fomentar iniciativas que permitan
identificar nichos de futuro para proyectos conjuntos universidad
y empresa.
Indicadores de seguimiento
Nuevos grupos de investigación, centros
tecnológicos interdisciplinares, patentes y empresas
spin-off en el campo.
Fecha de materialización
2015-2020.
Conclusiones
El sector industrial
químico-farmacéutico en España,
generó en 2005 un valor de producción de 35.600
millones de euros, correspondiente al 10% de PIB, proporcionando
más de 500.000 empleos. Es además el primer
inversor en I+D+i y se trata de un sector indispensable para el
resto de los sectores industriales. Sin embargo, a pesar de estas
cifras, se enfrenta a una serie de retos que pueden marcar un
punto de inflexión en su desarrollo. Se trata de asuntos
como la pérdida
de competitividad frente a países del sudeste
asiático, la protección del medio ambiente y la
futura implantación de la normativa REACH y el aumento de
los costes energéticos, entre otros.
En la persecución por alcanzar los objetivos de
la Agenda de Lisboa, que incluyen la mejora de la competitividad
económica a través de la innovación
tecnológica, el sector químico-industrial
español y, por ende el europeo, está posicionando
su negocio hacia la Biotecnología Industrial. No en
vano, la Comisión Europea dentro del Séptimo
Programa Marco concede gran prioridad a la investigación
sobre la Biotecnología Industrial incluyendo acciones como
"Ciencias de la vida y biotecnología para los
productos y procesos no alimentarios sostenibles", que
abarca el uso de la biotecnología para mejorar la
productividad, la sostenibilidad y la composición de
materias primas de biomasa y el desarrollo de nuevos
bioprocesos.
La Biotecnología Industrial se caracteriza por
desarrollar procesos químicamente sostenibles, mediante la
utilización de biocatalizadores y microorganismos
seleccionados o modificados genéticamente. Su
utilización permite optimizar los procesos productivos,
así como disminuir el consumo energético y de
materias primas, junto con una menor producción de
residuos.
Las principales tendencias tecnológicas incluidas
en esta área son la biotransformación, la
Bioproducción y la Biotecnología
ambiental.
La Biotransformación consiste en la
conversión de un compuesto químico o
bioquímico en otro (activo) mediante el uso de un
catalizador de origen biológico o incluso
sintético. En la actualidad ya se utilizan proteasas en
los detergentes o lipasas en la síntesis de
fármacos, si bien en el futuro se extenderá
considerablemente el uso de enzimas en innumerables procesos
industriales.
La Bioproducción consiste en la
selección o modificación de microorganismos y
plantas vegetales para la producción directa de
compuestos, tanto intermediarios como productos finales.
Así por ejemplo, se producen aminoácidos para
piensos animales o ácido poliláctico como material
biodegradable mediante el uso de microorganismos, o incluso se
está ensayando la producción de fármacos en
cultivos agronómicos.
Y por último, la Biotecnología
ambiental, que permite el tratamiento y recuperación
de suelos, aguas y residuos urbanos e industriales. Entre otras
aplicaciones, hoy en día se utilizan microorganismos
seleccionados genéticamente para digerir vertidos de
petróleo o enzimas para digerir residuos de papeleras
industriales, si bien estas aplicaciones son muy
recientes.
La Biotecnología Industrial esconde tras de
sí, un vasto elenco de tecnologías, incluidas
dentro de las tendencias descritas, siendo algunas más
prioritarias que otras. En concreto, las tecnologías
críticas en la aplicación de la
Biotecnología a los sectores químico-industriales
son:
• Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con
múltiples aplicaciones.
• Nuevos desarrollos tecnológicos para la
inmovilización de enzimas y microorganismos.
• Mejoras tecnológicas en la
producción, purificación y estabilización de
enzimas de uso industrial.
• Biocatálisis para la producción de
productos farmacéuticos.
• Identificación, aislamiento,
purificación y expresión de enzimas industriales
por tecnologías de alto rendimiento.
• Sistemas de expresión y
purificación de proteínas que permitan el escalado
eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto
rendimiento.
Por su parte el sector energético
español tuvo un valor de producción de más
de 41.000 millones de euros, empleando de forma directa e
indirecta a más de 300.000 personas. El sector
energético es aún más estratégico que
el químicoindustrial,
pues de la energía, su producción,
distribución y coste de adquisición depende en gran
medida el desarrollo económico del país.
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