La industria de la aviación produce el 2 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono inducidas por el hombre. Esta participación puede parecer relativamente pequeña, por perspectiva, la generación de electricidad y la calefacción del hogar representan más del 40 por ciento, pero la aviación es una de las fuentes de gases de efecto invernadero de más rápido crecimiento en el mundo. Se prevé que la demanda de viajes aéreos se duplique en los próximos 20 años.
Las aerolíneas están bajo presión para reducir sus emisiones de carbono y son muy vulnerables a las fluctuaciones mundiales de los precios del petróleo. Estos desafíos han despertado un gran interés en los combustibles para reactores derivados de la biomasa. El combustible bio-jet se puede producir a partir de diversos materiales vegetales, incluidos cultivos oleaginosos, cultivos de azúcar, plantas con almidón y biomasa lignocelulósica, a través de diversas rutas químicas y biológicas. Sin embargo, las tecnologías para convertir el petróleo en combustible para aviones están en una etapa más avanzada de desarrollo y producen una mayor eficiencia energética que otras fuentes.
Estamos diseñando la caña de azúcar, la planta más productiva del mundo, para producir petróleo que pueda convertirse en combustible de bio-jet. En un estudio reciente, descubrimos que el uso de esta caña de azúcar diseñada podría producir más de 2, 500 litros de combustible de bio-jet por acre de tierra. En términos simples, esto significa que un Boeing 747 podría volar durante 10 horas con combustible bio-jet producido en solo 54 acres de tierra. En comparación con dos fuentes de plantas competidoras, la soya y la jatropha, el lipidcane produciría aproximadamente 15 y 13 veces más combustible para aviones por unidad de tierra, respectivamente.
Creando caña de azúcar de doble propósito
Los combustibles bio-jet derivados de materias primas ricas en petróleo, como la camelina y las algas, se han probado con éxito en vuelos de prueba de concepto. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales aprobó una mezcla 50:50 de combustible para aviones a base de petróleo y combustible para aviones renovables hidroprocesados para vuelos comerciales y militares.
Sin embargo, incluso después de importantes esfuerzos de investigación y comercialización, los volúmenes de producción actuales de combustible de bio-jet son muy pequeños. La fabricación de estos productos a mayor escala requerirá nuevas mejoras tecnológicas y abundantes materias primas de bajo costo (cultivos utilizados para fabricar el combustible).
La caña de azúcar es una fuente conocida de biocombustibles: Brasil ha estado fermentando jugo de caña de azúcar para producir combustible a base de alcohol durante décadas. El etanol de la caña de azúcar produce un 25 por ciento más de energía que la cantidad utilizada durante el proceso de producción, y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en un 12 por ciento en comparación con los combustibles fósiles.
Cosechando caña de azúcar en Brasil (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Nos preguntamos si podríamos aumentar la producción de aceite natural de la planta y usar el aceite para producir biodiesel, lo que proporciona beneficios ambientales aún mayores. El biodiesel produce un 93 por ciento más de energía que la requerida para producirlo y reduce las emisiones en un 41 por ciento en comparación con los combustibles fósiles. El etanol y el biodiesel se pueden usar en el combustible de bio-jet, pero las tecnologías para convertir el aceite derivado de la planta en combustible de jet se encuentran en una etapa avanzada de desarrollo, producen una alta eficiencia energética y están listos para su despliegue a gran escala.
Cuando propusimos por primera vez la ingeniería de la caña de azúcar para producir más petróleo, algunos de nuestros colegas pensaron que estábamos locos. Las plantas de caña de azúcar contienen solo 0.05 por ciento de aceite, que es demasiado poco para convertirlo en biodiesel. Muchos científicos de plantas teorizaron que aumentar la cantidad de petróleo al 1 por ciento sería tóxico para la planta, pero nuestros modelos de computadora predijeron que podríamos aumentar la producción de petróleo al 20 por ciento.
Con el apoyo de la Agencia de Energía para Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía, lanzamos un proyecto de investigación llamado Plantas diseñadas para reemplazar el petróleo en la caña de azúcar y el sorgo, o PETROSS, en 2012. Desde entonces, a través de la ingeniería genética, hemos aumentado la producción de petróleo y ácidos grasos para lograr un 12 por ciento de aceite en las hojas de la caña de azúcar.
Una botella de aceite producida a partir de lipidos de PETROSS (Claire Benjamin / Universidad de Illinois, CC BY-ND) Ahora estamos trabajando para lograr un 20 por ciento de petróleo, el límite teórico, de acuerdo con nuestros modelos de computadora, y apuntando esta acumulación de aceite al tallo de la planta, donde es más accesible que en las hojas. Nuestra investigación preliminar ha demostrado que incluso cuando las plantas de ingeniería producen más petróleo, continúan produciendo azúcar. Llamamos a estas plantas de ingeniería lipidcane.
Múltiples productos de lipidcane
Lipidcane ofrece muchas ventajas para los agricultores y el medio ambiente. Calculamos que el cultivo de lipidcane que contiene 20 por ciento de aceite sería cinco veces más rentable por acre que la soja, la principal materia prima utilizada actualmente para producir biodiesel en los Estados Unidos, y dos veces más rentable por acre que el maíz.
Para ser sostenible, el combustible de bio-jet también debe ser económico de procesar y tener altos rendimientos de producción que minimicen el uso de tierra cultivable. Estimamos que, en comparación con la soya, la caña lipídica que contiene un 5 por ciento de aceite podría producir cuatro veces más combustible para aviones por acre de tierra. El lipidcane con 20 por ciento de aceite podría producir más de 15 veces más combustible para aviones por acre.
Y lipidcane ofrece otros beneficios energéticos. Las partes de la planta que quedan después de la extracción del jugo, conocido como bagazo, se pueden quemar para producir vapor y electricidad. Según nuestro análisis, esto generaría electricidad más que suficiente para alimentar la biorrefinería, por lo que el excedente de energía podría venderse nuevamente a la red, desplazando la electricidad producida a partir de combustibles fósiles, una práctica ya utilizada en algunas plantas en Brasil para producir etanol a partir de la caña de azúcar.
Un potencial cultivo bioenergético de EE. UU.
La caña de azúcar prospera en tierras marginales que no son adecuadas para muchos cultivos alimentarios. Actualmente se cultiva principalmente en Brasil, India y China. También estamos diseñando el lipidcane para que sea más tolerante al frío para que pueda ser criado más ampliamente, particularmente en el sureste de los Estados Unidos en tierras subutilizadas.
Un mapa de la región de crecimiento de lipidcane tolerantes al frío (PETROSS) Si dedicamos 23 millones de acres en el sureste de los Estados Unidos a la caña lipídica con un 20 por ciento de petróleo, estimamos que esta cosecha podría producir el 65 por ciento del suministro de combustible para aviones de los Estados Unidos. Actualmente, en dólares corrientes, ese combustible costaría a las aerolíneas US $ 5, 31 por galón, que es menos que el combustible bio-jet producido a partir de algas u otros cultivos oleaginosos como la soja, la canola o el aceite de palma.
El lipidcane también podría cultivarse en Brasil y otras áreas tropicales. Como informamos recientemente en Nature Climate Change, la expansión significativa de la producción de caña de azúcar o de lípidos en Brasil podría reducir las emisiones mundiales de dióxido de carbono hasta en un 5, 6 por ciento. Esto podría lograrse sin afectar las áreas que el gobierno brasileño ha designado como ambientalmente sensibles, como la selva tropical.
En busca de la "caña de energía"
Nuestra investigación de lipidcane también incluye la ingeniería genética de la planta para hacer que la fotosíntesis sea más eficiente, lo que se traduce en un mayor crecimiento. En un artículo de 2016 publicado en Science, uno de nosotros (Stephen Long) y sus colegas de otras instituciones demostraron que mejorar la eficiencia de la fotosíntesis en el tabaco aumentó su crecimiento en un 20 por ciento. Actualmente, la investigación preliminar y los ensayos de campo paralelos sugieren que hemos mejorado la eficiencia fotosintética de la caña de azúcar en un 20 por ciento y en casi un 70 por ciento en condiciones frescas.
La caña de azúcar normal (izquierda) crece junto a la caña de azúcar PETROSS diseñada, que es visiblemente más alta y más tupida, en ensayos de campo en la Universidad de Florida. (Fredy Altpeter / Universidad de Florida, CC BY-ND) Ahora nuestro equipo está comenzando a trabajar para diseñar una variedad de caña de azúcar de mayor rendimiento que llamamos "caña de energía" para lograr una mayor producción de petróleo por acre. Tenemos más terreno por recorrer antes de que pueda comercializarse, pero el desarrollo de una planta viable con suficiente petróleo para producir biodiesel y bio-jet fuel es un primer paso importante.
Nota del editor: Este artículo se ha actualizado para aclarar que el estudio de Stephen Long y otros publicado en Science en 2016 implicó mejorar la eficiencia de la fotosíntesis en las plantas de tabaco.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Deepak Kumar, investigador postdoctoral, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Stephen P. Long, profesor de ciencias de cultivos y biología vegetal, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Vijay Singh, profesor de Ingeniería Agrícola y Biológica y Director del Laboratorio Integrado de Investigación de Bioprocesamiento, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
