Biocombustible elaborado por bacterias que podría impulsar cohetes

Hola queridos amigos de la comunidad científica de Hive.

Es un hecho que el uso desmedido de los combustibles fósiles ha acelerado el calentamiento global, y una de las medidas urgentes para frenar los efectos más severos del cambio climático es la descarbonización de nuestro sistema energético, y aunque se han logrado grandes avances mejorando el rendimiento de los vehículos eléctricos y en la implementación de energías renovables para producir electricidad, lo cierto es que aún existen aplicaciones que requieren un combustible que entregue mucha potencia, como el transporte de carga marítima, la aviación transatlántica y la cohetería; y en estos casos quizás sean los biocombustibles los posibles sustitutos de los combustibles fósiles.

Bacterias producen biocombustible de gran potencia. Fuente: imagen editada, la imagen de las bacterias y el cohete son de dominio público.

Pero precisamente sectores como el transporte de carga marítima y el aeroespacial dependen de combustibles de alta densidad energética de origen fósil, como el Jet fuel para la aviación o combustibles como el RP1 o el HTPB utilizados en la cohetería, y es difícil producir un biocombustible que pueda cumplir con los elevados requerimientos de peso/potencia de estas aplicaciones.

Aunque la composición exacta de cualquier combustible para reactores depende del crudo del que se deriva y del proceso de refinación empleado en su producción, los combustibles tradicionalmente empleados para reactores de aviación como el Jet A, o los combustibles utilizados en motores de cohetes, como el RP-1, son derivados del petróleo muy semejantes al queroseno, constituidos principalmente de compuestos ricos en alcanos cíclicos y ramificados, y su gran problema es que durante su combustión liberan una gran cantidad de gases de COx, NOx y SOx que son lanzados a la atmosfera.

Imagen del Saturno V, la primera fase de este cohete era impulsada con combustible RP-1 (derivado de petroleo). Fuente: Wikipedia.org.

Pero con la finalidad de resolver este problema, un grupo de investigadores en biocombustibles dirigidos por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, se inspiró en la biología de una extraña molécula antifúngica fabricada por una bacteria para desarrollar un biocombustible a base de moléculas ciclopropanadas de origen natural con una densidad energética comparada con los combustibles para cohetes que utiliza actualmente la NASA.

Y es que los alcanos cíclicos tienen características especiales que son conferidas por la tensión del anillo, especialmente cuando los enlaces carbono-carbono tienen ángulos que se desvían de los 109.5°, el ángulo normal de las uniones entre átomos con orbitales sp3 híbridos. Y la deformación de estos enlaces provoca un elevado calor de combustión, una propiedad que se ha aprovechado para producir combustibles con elevada densidad energética.

Por ejemplo, en el ciclopropano, el más sencillo de los cicloalcanos, que consiste en un anillo formado por la unión de tres átomos de carbono, en esta molécula se forman ángulos de enlace de 60° entre los átomos de carbono, un ángulo muy pequeño comparado con el ángulo normal de 109.5°. Y precisamente este ángulo de enlace le confiere al ciclopropano la mayor tensión y calor de combustión entre los cicloalcanos.

Estructura del anillo del ciclopropano. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Y este elevado calor de combustión de los ciclopropanos se aprovechó para elaborar el combustible Syntin, un combustible sintético desarrollado durante para impulsar las etapas superiores de los cohetes Soyuz y Proton durante la época soviética.

Pero este grupo de investigadores logró producir un biocombustible basado en ésteres metílicos de ácidos grasos policiclopropanados en bacterias, denominado en la investigación POP-FAME, y este biocombustibles puede alcanzar una densidad energética de más de 50 MJ/L, un valor superior al encontrado en los combustibles para aviones y cohetes más utilizados en la actualidad.

Para lograr producir el biocombustible los investigadores se centraron en explorar compuestos orgánicos con anillos formados por tres átomos de carbono producidos por microorganismos, encontrando que hasta la fecha solo se han encontrado dos moléculas naturales que incluyen múltiples anillos de ciclopropanos, el antifúngico FR-900848 también conocido como jawsamicina y el inhibidor de la proteína de transferencia de colesterol U-106305, ambas moléculas son producidas por la batería Streptomyces, y afortunadamente, la vía biosintética de la jawsamicina ya se ha dilucidado debido al interés por sus propiedades antifúngicas.

El antifúngico natural FR-900848 recibe el nombre de jawsamicina por las características de esta molécula, contiene cinco anillos de ciclopropano que le dan el aspecto de una mandíbula llena de dientes. Y los autores de la investigación estudiaron los genes de la bacteria Streptomyces que codifican las enzimas responsables de construir los dientes de la molécula, y encontraron una combinación de enzimas que les permitió fabricar la molécula con los característicos anillos dentados pero saltándose el otras partes de la estructura química de la molécula.

Comparación entre moléculas ciclopropanadas. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

De este modo lograron producir moléculas que contienen hasta siete anillos de ciclopropano enlazados a una columna vertebral de carbonos que denominaron fuelimicinas, y según sus cálculos, la densidad energética de las fuelmicinas es comparable al del RJ-5, un combustible para cohetes derivado del petróleo.

Lamentablemente trabajar con bacterias no es sencillo, y no siempre suelen colaborar para trabajar en el laboratorio, por lo que respecta a la productividad aún queda mucho trabajo por hacer, sin embargo la investigación logró demostrar que las moléculas funcionalizadas con ciclopropanos por vía biosintética resultaron excelentes combustibles y que es posible la producción de biocombustibles de alta densidad energética.

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Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre esta posible vía de síntesis de biocombustibles de gran potencia. ¡Hasta la próxima!

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Referencias

Wikipedia.org. Ciclopropano
Wikipedia.org. Cicloalcano
Wikipedia.org. Combustible de turbina de aviación
Pablo Cruz-Morales et al. (2022). Biosynthesis of polycyclopropanated high energy biofuels. Joule 6, 1–16

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