Pequeños pero poderosos: los microorganismos contribuyen a una mayor sostenibilidad en BASF

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En BASF, la innovación y la sustentabilidad están indisolublemente unidas. Investigadores de todo el mundo están trabajando en soluciones innovadoras para aprovechar fuentes alternativas de materias primas y desarrollar procesos de producción y productos respetuosos con el medio ambiente. Los proyectos de investigación actuales y ejemplos de innovación para varios pasos de la cadena de valor fueron presentados hoy por la Dra. Melanie Maas-Brunner, miembro de la Junta Directiva de BASF SE y Directora de Tecnología, junto con científicos en la Conferencia de Prensa de Investigación de BASF. El evento se centró en tecnologías donde los microorganismos contribuyen a una mayor sostenibilidad.

La plataforma única de I+D de BASF sirve como base para el desarrollo de soluciones químicas sostenibles. “En los últimos años, hemos adaptado sistemáticamente esta plataforma a las necesidades de nuestros clientes”, dijo Maas-Brunner. BASF tiene alrededor de 10.000 empleados que trabajan en investigación y desarrollo en todo el mundo. En 2021, la empresa invirtió alrededor de 2200 millones de euros en el desarrollo de productos sostenibles y nuevos campos tecnológicos. “Expandir nuestras competencias es una tarea continua para nosotros”, dijo Maas-Brunner. Los ejemplos incluyen la generación de hidrógeno libre de CO2, la electrificación de los procesos de producción y el avance de la economía circular, así como el aprovechamiento de nuevas fuentes de materias primas y el uso de herramientas digitales de manera aún más eficiente.

Las inversiones en investigación y desarrollo están dando sus frutos, como lo demuestran los más de 11.000 millones de euros en ventas generadas por los productos que BASF ha colocado en el mercado en los últimos cinco años. Dentro de la industria química, BASF tiene una posición de liderazgo en términos de número y calidad de sus patentes. “Estoy especialmente feliz de que en 2021, el 45 por ciento de nuestras solicitudes de patentes estuvieran relacionadas con innovaciones con un enfoque particular en la sostenibilidad, y esta tendencia está creciendo”, dijo Maas-Brunner. También a largo plazo, la empresa quiere aumentar sus ventas y ganancias a partir de productos que hagan una contribución significativa a la sostenibilidad.

“Muchas de las tecnologías que permitirán una sociedad climáticamente neutra aún no se han inventado”, dijo Maas-Brunner. Por lo tanto, es importante superar los desafíos futuros estando abiertos a las tecnologías e incorporando conceptos tecnológicos alternativos. “Para hacer esto, necesitamos alianzas con todos los actores de la industria, la ciencia, la política y la sociedad. Las alianzas entre empresas y legisladores son especialmente importantes porque necesitamos buenas condiciones marco que sustenten nuestras acciones”, dijo Maas-Brunner.

La biotecnología blanca se vuelve cada vez más importante

Con su amplia gama de competencias tecnológicas, BASF está bien posicionado para desarrollar soluciones innovadoras para la química climáticamente neutral. La biotecnología blanca se está convirtiendo en una parte cada vez más importante de la caja de herramientas de BASF. “Estas son herramientas de la naturaleza; la gente los ha estado usando durante mucho tiempo y los está refinando constantemente”, dijo la Dra. Doreen Schachtschabel, Vicepresidenta de Investigación de Biotecnología Blanca en BASF. Los microorganismos, como bacterias u hongos, están involucrados en estos bioprocesos, incluida la fermentación y la biocatálisis. Utilizan diversos materiales orgánicos para transformarlos en productos finales completamente diferentes. Estos pueden ser vino, pan o queso, pero también sustancias para la industria química. “La biotecnología blanca se ha convertido en una de nuestras tecnologías clave que nos permite producir utilizando una variedad de materias primas de manera eficiente, conservadora de recursos y, lo que es más importante, flexible”, dijo Schachtschabel.

La lista de químicos y productos que BASF produce con métodos de biotecnología blanca es larga: biopolímeros, ingredientes esenciales para la nutrición humana y animal como vitaminas y enzimas, productos para la protección de cultivos, sabores y fragancias, así como enzimas para detergentes e ingredientes cosméticos. En cinco de los seis segmentos de BASF (Químicos, Materiales, Soluciones Industriales, Nutrición y Cuidado y Soluciones Agrícolas), la empresa ya produce más de 3.000 productos que están asociados con la biotecnología o son biodegradables. En 2021, aportaron más de 3.500 millones de euros a las ventas, y la tendencia va en aumento.

Para desarrollar nuevos procesos y productos, los investigadores de BASF trabajan con numerosos socios académicos e industriales externos. Los fundamentos tecnológicos y los enfoques suelen ser muy similares a pesar de las diferentes propiedades de las moléculas.

En primer lugar, se identifica un microorganismo adecuado que se puede cultivar. En el siguiente paso, se cambia el genoma, si es necesario, cambiando así el metabolismo de tal manera que la bacteria o el hongo produce más de cierta sustancia o produce una molécula completamente nueva con nuevas propiedades.

Luego comienza el bioproceso real: los microorganismos producen la molécula objetivo en los volúmenes deseados en condiciones óptimas. Los nutrientes y los componentes básicos pueden ser materias primas renovables, como el azúcar, pero también flujos de desechos, productos reciclados y moléculas sintetizadas químicamente.

La digitalización es fundamental para el desarrollo de nuevos procesos y productos. No se trata solo de trabajar de manera más eficiente y eficaz. “Sin la biología computacional, específicamente la bioinformática, no podríamos hacer lo que estamos haciendo hoy”, dijo Schachtschabel.

El desarrollo del insecticida Inscalis™ muestra cómo la química clásica y la biotecnología pueden complementarse perfectamente. El primer paso en la producción de este insecticida es la fermentación. A continuación, el producto intermedio se transforma en un producto fitosanitario acabado en un proceso de producción posterior basado en la química clásica. “Aquí reunimos lo mejor de ambos mundos: al combinar la fermentación con la síntesis química selectiva, el proceso híbrido nos permite producir un producto altamente efectivo y sostenible de manera rentable”, dijo Schachtschabel.

En el futuro, BASF seguirá confiando en una base amplia y flexible de materias primas y tecnologías. “Reconocemos que la biotecnología, la ingeniería y la química clásica, cuando se integran de manera óptima, permiten procesos que son muy eficientes y económica y ambientalmente sostenibles. Esto ayudará a BASF a lograr sus objetivos de sostenibilidad”, dijo Schachtschabel.

Carbón gaseoso como fuente alternativa de materia prima

Además de la fermentación clásica, que generalmente se basa en materias primas renovables, BASF y la firma estadounidense LanzaTech están trabajando juntos en procesos especiales en los que las bacterias utilizan fuentes de carbono gaseoso, como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, como materia prima. El carbono puede provenir de los gases de escape de las acerías, refinerías y plantas químicas, pero también de los desechos domésticos gasificados. “Nos gustaría aprovechar el potencial de la fermentación de gases para fabricar productos químicos para las cadenas de valor de los productos químicos”, dijo el Prof. Michael Helmut Kopf, Director de Plataformas de Fermentación Alternativa de BASF. Las instalaciones de producción de LanzaTech en China ya están utilizando esta tecnología para producir etanol y pronto estará operativa otra planta en Bélgica. A las dos empresas ahora les gustaría producir alcoholes superiores y otros intermedios utilizando procesos de fermentación de gas.

“Nuestras bacterias están especialmente diseñadas para que puedan transformar el carbono residual en una variedad de intermediarios deseados”, explicó el Dr. Sean Simpson, fundador y director científico de LanzaTech. BASF, a su vez, contribuye con su experiencia en química y tecnología de procesos, así como en la intensificación de procesos, a este proyecto de desarrollo. BASF también está diseñando el proceso para separar y purificar los productos del sistema de fermentación para que puedan incorporarse a las cadenas de valor.

Hay más que suficientes fuentes alternativas de carbono en todo el mundo que se pueden utilizar para la fermentación de gases. “Pero esto requerirá un cambio de mentalidad para permitir proyectos con un carácter intersectorial, por ejemplo, conectar la industria química con acerías o empresas de gestión de residuos”, dijo Simpson. Una mayor disponibilidad de tales fuentes alternativas de materias primas significará una menor necesidad de materias primas fósiles vírgenes para producir productos químicos.

“Las tecnologías de gasificación para materiales residuales, la fermentación de gases, junto con el hidrógeno sostenible y la energía renovable para la síntesis de productos, y los procesos de purificación eficientes para los productos pueden, en el futuro, hacer una contribución importante para mejorar la sostenibilidad de nuestras cadenas de valor”, dijo. Kopf, comentando sobre el potencial de la tecnología.

Entender la biodegradabilidad en detalle

En BASF, las bacterias y los hongos juegan un papel no solo en la producción de productos sostenibles. “Para nosotros, la sustentabilidad también significa saber exactamente cómo y por qué los microorganismos en el medio ambiente biodegradan nuestros productos después de que se usan”, dijo el profesor Andreas Künkel, vicepresidente de investigación de biopolímeros de BASF. La biodegradabilidad significa que los microorganismos metabolizan moléculas orgánicas complejas en energía, agua, dióxido de carbono y biomasa.

Para usar este método natural y desarrollar productos completamente biodegradables se requiere una comprensión fundamental de la química y de los procesos biológicos. Por lo tanto, BASF ha ampliado significativamente sus actividades de I+D relacionadas con la biodegradabilidad en los últimos 10 años. “Este tema increíblemente complejo solo se puede dominar como un equipo interdisciplinario”, dijo Künkel. Destacó la importancia de la colaboración interna y externa con clientes, universidades e institutos de investigación, con quienes BASF llevó a cabo extensos experimentos en el laboratorio y en el campo. “Observamos con gran detalle cómo debemos diseñar los materiales para que nuestros productos se biodegraden en el suelo y en sistemas técnicos como el compost y las instalaciones de tratamiento de aguas residuales”, explicó Künkel.

Un ejemplo de esto es la película de mantillo ecovio®. Está certificado como biodegradable en el suelo y ayuda a los agricultores a lograr mayores rendimientos. Después de la cosecha, la película simplemente se puede arar y los microorganismos del suelo la descompondrán. Los investigadores de BASF trabajaron con científicos de ETH Zurich para examinar cómo y por qué la película se biodegrada en el suelo, tanto en el laboratorio como en el campo. Para ello, desarrollaron nuevos métodos de análisis que pueden demostrar que el carbono de la película se transforma biológicamente en dióxido de carbono y biomasa.

Otra aplicación importante de los materiales biodegradables son los ingredientes para detergentes para ropa, detergentes para lavavajillas y cosméticos que terminan en las plantas de tratamiento de aguas residuales al final de su ciclo de vida. Aquí, también, es crucial comprender exactamente cómo la estructura del material influye en su biodegradabilidad.

Para ampliar la cartera de nuevos productos biodegradables certificados, las herramientas digitales son un componente importante del trabajo de investigación. Con su amplia recopilación de datos sobre biodegradabilidad, BASF puede desarrollar modelos informáticos que pueden predecir en una etapa muy temprana del desarrollo del producto las propiedades y la biodegradabilidad de moléculas y materiales, y así permitir que sus estructuras se adapten en consecuencia. “BASF es pionera y líder en el modelado digital de biodegradabilidad predictiva. Esto es útil cuando se coopera con los clientes para desarrollar productos biodegradables hechos a la medida para una aplicación en particular”, dijo Künkel.