Plumas NCC | La biomasa vegetal del planeta: biopolímeros lignocelulósicos

Por: Aldo Saavedra Fenoglio (Chile).

¿Qué es la biomasa?

Una definición utilizada en el mundo científico la identifica como materia orgánica que se ha originado en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. No hay que confundir “materia orgánica” con “materia viva”, teniendo como ejemplo un trozo de madera seca, es decir sin vida pero que producirá energía calórica si se lo somete a combustión.

Diversos estudios han contabilizado los tipos y cantidades de biomasas existentes en nuestro planeta, llegando a cifras cercanas a los 550 mil millones de toneladas ó 550 Gigatoneladas (Gt), expresadas como carbono. El 81,8% del total corresponde a plantas, el 12,7% son bacterias, el 2,2 % son hongos y arqueas, el 2,0 % protistas y el 0,4% animales (insectos, moluscos, aves, peces, mamíferos, etc).

Es interesante indicar que sólo el 3% del carbono que forma parte de la estructura de los animales corresponde al total de la población humana, unos 7,8 mil millones de habitantes, es decir menos del 0,01% de todo el carbono de la biomasa del planeta.

La biomasa vegetal

Cerca del 60% de la biomasa total, correspondiente a 320 Gt, se encuentra en la superficie del planeta, sobre la tierra y en los fondos marinos. Es en tierra firme donde se concentra la biomasa vegetal, predominando la de carácter leñoso, que se caracteriza por sus altas concentraciones de biopolímeros polisacáridos (celulosa, hemicelulosa) y aromáticos (ligninas, polifenoles).

Estas enormes cantidades de materiales fluyen, se crean y degradan constantemente, dando origen al ciclo biogeoquímico del carbono, elemento que se transfiere bajo diversas formas químicas entre las aguas (hidrósfera), la tierra (geósfera) y la fase gaseosa (atmósfera) que forman parte del planeta Tierra.

El motor que impulsa este ciclo es precisamente el Sol, que provee luz y energía para activar el proceso de fotosíntesis el cual produce biomasa fotosintética, transformando el carbono inorgánico en azúcares y simultáneamente produciendo oxígeno. Es la denominada “producción primaria” que permite la creación de millones de diferentes tipos moléculas complejas, que sostienen lo que denominamos “vida”.

Se ha estimado que anualmente se producen unos 120 mil millones de toneladas de materia orgánica vegetal gracias a la fijación de carbono por fotosíntesis, de esta cantidad cerca del 67% corresponden a bosques y arbustos. Son tres los polímeros naturales que juntos representan más del 95% de los materiales carbonosos fotosintetizados: celulosa, hemicelulosa y lignina. En la madera, y dependiendo de la especie vegetal, la celulosa representa entre el 35 y 50%, la hemicelulosa entre 22 y 30% y la lignina entre 15 y 30%.

El término “lignina” proviene del vocablo latino “lignum” que significa leña, madera. A diferencia de la celulosa y la hemicelulosa, la lignina está constituida de miles de unidades de base aromática. La lignina se encuentra íntimamente asociada con la celulosa, actuando como ligante y relleno efectivo en conjunto con la hemicelulosa, otorgándole rigidez a las fibras de celulosa y opera como un “esqueleto” para aumentar la resistencia mecánica y resistir el ataque químico y bioquímico sobre los tejidos vegetales leñosos.

Un poco de historia

A comienzos del siglo XIX se consideraba a la madera como un material de composición química más bien uniforme. En 1835 Joseph Gay-Lussac y Jacques Thenard llevaron a cabo los primeros análisis elementales de la madera y encontraron que estaba constituida de carbono, hidrógeno y oxígeno. En 1838 el químico francés Anselme Payen probó que la madera no era un todo homogéneo, logrando aislar un material fibroso al que denominó “celulosa”.

Luego, en 1850 el científico Schulze, tras haber confirmado los resultados de Payen, comparó las masas de la madera original y las fibras de celulosa, denominando “lignina”, al “material verdaderamente leñoso” removido y distinto de la celulosa. Fue en el año 1866, cuando el químico Erdmann logro aislar efectivamente a la lignina y concluyó que estaba en presencia de un componente cuya estructura y funciones no eran las de un polisacárido.

A fines del siglo XIX, la industrialización de la madera para producir celulosa ya había alcanzado un desarrollo importante. Como resultado del proceso productivo, se generaban simultáneamente grandes cantidades de residuos líquidos (licores) que contenían lignina, los cuales eran desechados. Esta situación incrementó el interés por todo lo relativo a la química de la madera en general y de la lignina en particular.

Entre 1890 y 1895 el químico sueco Peter Klason desarrolló el primer método de determinación cuantitativa de lignina en las plantas, aislando el biopolímero y descubriendo que su estructura química era de tipo aromática, con unidades fenilpropano R-C-C-C polimerizadas, en la cual R correspondía al grupo 4-hidroxi-3-metoxifenol.

La lignina, materia prima para múltiples aplicaciones

Durante la primera mitad del siglo XX,  estudios publicados por Freudenberg  caracterizaron químicamente a la lignina según un modelo del tipo  C₉H_XO_Y(OCH_3)Z, donde x,y,z tienen valores típicos y constantes de 8 ± 0.5, 2.5 ± 0.5 y 1 ± 0.25.

La estructura aromática de la lignina despertó un gran interés en la búsqueda de aplicaciones, desarrollando técnicas de separación/purificación para su utilización directamente como biopolímero y también como materia prima para producir un sinnúmero de compuestos de menor peso molecular.

Algunos ejemplos se encuentran la sustitución del fenol por ligninas para fabricar resinas de formaldehído, y en la producción de vainillina, compuesto que le otorga el sabor a vainilla para alimentos, bebidas y medicamentos. Como todos los biopolímeros naturales, la lignina se encuentra en un amplio rango de pesos moleculares, entre 1.000 Daltons y 50.000 Daltons, dependiendo de la especie vegetal y del método de aislamiento utilizado.

En la actualidad, el conocimiento de la composición, estructura y reacciones de la lignina está muy avanzado, lo que permite formular aplicaciones tecnológicas en diversos campos. Algunos usos actuales y a nivel comercial se encuentran en adhesivos, aglomerantes, emulsificantes, etc.

Por otra parte, mediante procesos de degradación termoquímica de la lignina se visualizan grandes posibilidades para utilizar este biopolímero que sintetiza la naturaleza en enormes cantidades, como fuente para obtener productos químicos de importancia comercial, tales como fenol y benceno, lo que permite pensar en una alternativa de abastecimiento renovable con respecto a los hidrocarburos fósiles convencionales.

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Aldo Saa­ve­dra Fenoglio es académico del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Santiago. Doctor en Ingeniería Química, Ingeniero Civil Químico, investigador del Laboratorio de Procesos de Separación por Membranas del Departamento de Ingeniería Química. Su principal línea de investigación es la desalinización y tratamiento de aguas para su empleo en riego agrícola, agua potable y procesos productivos