ÍNDICE

1 - Introducción.......................................................................página 2

2 - Biodesulfurización de combustibles diesel..................páginas 3-5

3 - Desarrollo de biorreactores para desulfurización......páginas 5 y 6

4 - Microorganismos potencialmente útiles en desulfurización.................................................................páginas 6-9

5 - Conclusiones..........................................................páginas 9 y 10

Bibliografía.................................................................páginas 10 y 11

1 - Introducción

En la pasada década, decenas de millones de dólares se han invertido en el desarrollo de biotecnología para mejorar la calidad de los combustibles fósiles. La mayor parte de este esfuerzo se ha centrado en la biodesulfurización de dichos combustibles, un viejo concepto (originado hace 50 años) que recientemente ha recibido renovada atención como método “verde” para el procesamiento del petróleo. Esta reciente atención se debe también a las dificultades técnicas y económicas asociadas con los procedimientos convencionales de desulfurización.

Cada día, alrededor de 80 millones de barriles de petróleo (aproximadamente 10 millones de toneladas) son bombeados desde el interior de la tierra, y no hay indicios de que este ritmo se decrezca en un futuro cercano; recientes estimaciones auguran que las reservas de gas natural, crudo, turba y carbón son suficientes para continuar así al menos durante los próximos 70 años. La mayoría (el 90%) de los hidrocarburos extraídos de la tierra son quemados para la obtención de energía. Dado que las reservas, tanto sólidas como líquidas, suelen estar contaminadas por azufre, la combustión directa de este combustible conduciría a la liberación de grandes cantidades de óxidos de azufre a la atmósfera. Éstos óxidos son la principal fuente de lluvia ácida, por lo que la mayoría de los países han impuesto regulaciones para controlar esta liberación. Estas reglamentaciones se constituyen en forma de limitaciones en las emisiones de azufre en las plantas generadoras de energía (obligadas a usar combustibles de bajo azufre y a realizar depuraciones postcombustión) y en la imposición de cada vez mas duras restricciones en los niveles de azufre permitidos en los combustibles de transporte (aerocombustibles y gasóleo) y combustibles calefactores del hogar. Más recientemente, el azufre de la gasolina ha sido objeto también de estas medidas, ya que la combustión de la gasolina envenena el convertidor catalítico de los sistemas de escape automovilísticos. Estos convertidores son usados para quemar en el motor de escape los hidrocarburos que no han ardido, que contribuyen significativamente a la polución urbana.

Los niveles de azufre en el petróleo crudo oscilan entre 1.000 y 30.000 ppm (partes por millón), y en el combustible diesel corriente a veces excede las 5.000 ppm. En la pasada década, los niveles de azufre “aceptables” en este combustible han descendido desde las 2.000-5.000 ppm hasta las 500 ppm. Inminentes regulaciones conducirán a unos niveles de 350 ppm. En un futuro no muy lejano (2005-2007), las refinerías esperan alcanzar cantidades de azufre de entre 10-15 ppm. En los últimos diez años ha existido un considerable interés en el desarrollo de tecnologías para extraer el azufre de los combustibles de transporte; existen distintas operaciones de refinación convencionales que se han usado para esto, y han aparecido nuevos procedimientos respondiendo a la necesidad de una desulfurización con bajo coste. Un posible enfoque es aprovechar las ventajas de la especificidad de los enzimas y el relativamente bajo coste de las biotransformaciones para producir gasolinas y gasóleos de bajo azufre. La desulfurización catalítica (BDS) posee los potenciales beneficios de bajos costes de operación y capital y pueden producir gases substancialmente no invernadero.

2 - Biodesulfurización de combustibles diesel

Como ya se ha mencionado, se han identificado ciertos catalitos microbianos que puedan biotransformar los compuestos azufrados que se encuentran en los combustibles, incluyéndose algunos capaces de extraer selectivamente el azufre de componentes heterocíclicos del dibenzotiofeno.

Se están desarrollando para ello biosistemas de energía que implican la extracción de hidrocarburos que contienen azufre de corrientes de destilados o naphta. La corriente de destilado es mezclada primero con un medio acuoso que contiene sosa cáustica, bacterias y nutrientes para las mismas. Los enzimas bacterianos inicialmente oxidan los átomos de azufre para seguidamente romper algunos de los enlaces azufre-carbono. El azufre queda tras el proceso en forma de sulfonato de hidroxifenilbenceno, el cual tiene uso comercial como sustrato para la producción de surfactantes. Diseños basados en estudios en plantas piloto combinan biodesulfurización y métodos de hidrotratamiento convencionales para producir combustible diesel que contiene 50 ppm de azufre.

Fig. 1. La ruta de la desulfurización biológica del compuesto modelo dibenzotiofeno se basa en la biocatálisis por especificidad. DSZA, DSZB, DSZC y DSZD son los productos génicos catalíticos de los genes dszA, dszB, dszcC y dszD, respectivamente.

La figura 1 muestra los pasos generales en el sistema de biodesulfurización basado en estudios realizados en varias especies bacterianas. Esta ruta a veces recibe el nombre de ruta “4S” por la existencia de cuatro intermediarios azufrados. Resulta interesante que esta ruta química bacteriana es capaz de extraer el azufre de dibenzotiofenos sustituidos con grupos alquilo, que impiden la catálisis química y resisten la hidrodesulfurización. Esta actividad se ha observado en diferentes bacterias y, en la mayoría de los casos, bacterias emparentadas catalizan la misma reacción.

Los principales genes implicados en el metabolismo del dibenzotiofeno (DBT) han sido clonados, secuenciados y considerablemente analizados. Su denominación más extendida para ellos es dsz. Los genes dszA, dszB y dszC se localizan en un operón sencillo en un gran plásmido en Rhodococcus erythropolis IGTS8 y otras cepas relacionadas. El promotor ha sido caracterizado y parece ser afectado por la presencia de aminoácidos azufrados, y los resultados parecen confirmar un mecanismo de represión. La evidencia de una inducción por parte del DBT no resulta convincente.

Fig. 2. Diagrama conceptual de algunos de los pasos de la desulfurización del combustible diesel. No está claro como los distintos pasos separados están implicados en la transferencia de las moléculas de Cx-DBT (dibenzotiofeno) desde el combustible hasta el primer enzima. Resultados experimentales sugieren que la transferencia de masa no está limitada por un paso intermedio combustible-agua o agua-célula. Tampoco está claro cómo Cx-HPB o Cx-HPBS salen de la célula. DBTO = sulfóxido de dibenzotiofeno, DBTO2 = dibenzotiofenil sulfona, DBT-MO = dibenzotiofeno monooxigenasa.

Ahora bien, la enzimática no es el único factor importante en la biodesulfurización; existen otros pasos potencialmente limitantes en este proceso, como ilustra la figura 2:

3 - Desarrollo de biorreactores para desulfurización

Como es fácil deducir, es necesario el contacto y mezcla de combustible, células y agua para una buena transferencia de masa. Desafortunadamente, esto conduce a la formación de una fuerte emulsión que debe romperse para recuperar el combustible desulfurizado, reciclar las células y separar los subproductos. Un método económico y efectivo para esto implica el uso de hidrociclones, tubos cónicos que al girar separan la emulsión en distintas fases.

Fig. 3. Diagrama conceptual de flujo del proceso de biodesulfurización.

Como se observa en la figura 3, son necesarios tres biorreactores para alcanzar muy bajas concentraciones de azufre en el combustible producto, debido a la relativamente alta KM del sistema enzimático Dsz. En este trasfondo ,las células crecen y son revitalizadas durante el proceso, lo que constituye un paso necesario para alcanzar los amplios tiempos de residencia catalítica que requiere un proceso comercial. Los pasos de separación pueden llevarse a cabo mediante el uso de hidrociclones o mediante una combinación de éstos con otros métodos de centrifugación de bajo coste.

Como ya se ha comentado, el sulfonato de hidroxifenil benceno (HPBS), penúltimo producto de la ruta “4S”, para producir biopetroquímicos. Usando una biocatalisis especialmente desarrollada en la que el gen dszB (responsable de la última transformación de la ruta “4S”, ver Fig. 1) ha sido eliminado, pueden obtenerse grandes cantidades de Cx-HPBS como subproducto de la biodesulfurización o, usando un combustible sustrato adecuado, como un producto en sí mismo.

Fig. 4. Conversión del intermediario de la desulfurización Cx-HPBS a surfactantes. Los anillos pueden ser alquilados directamente o varios ésteres pueden sintetizarse en el grupo hidroxilo. La longitud de la cadena lateral puede variar para producir detergentes solubles o no en agua.

4 - Microorganismos potencialmente útiles en desulfurización

Rhodococcus

Sin duda el género más estudiado en relación con este tema es Rhodococcus. Se han realizado multitud de estudios con distintas especies y estirpes del mismo (como por ejemplo las estirpes de Rhodococcus erythropolis D-1, KA2-5-1, IMP-SO2, H-2, SY1 y P32C1). De hecho, la ruta de desulfurización anteriormente descrita se caracterizó en dicho género (Rhodococcus sp. IGTS8).

Una importante ventaja que posee este género frente a otros es su naturaleza hidrofóbica, que hace que, en un sistema aceite-agua, la bacteria se adhiera a la interfase aceite agua, no apareciendo suspendida en la fase acuosa. Esto hace que las cepas de Rhodococcus puedan captar las muy hidrofóbicas moléculas de Cx-DBTs directamente del aceite, lo que aumenta la eficacia del sistema.

Pseudomonas

Se han realizado algunos estudios con cepas de Pseudomonas delafieldii (por ejemplo con la estirpe R-8). Las bacterias de este género emplean una ruta de desulfurización distinta de la llamada “4S”, basada en la ruptura de los anillos aromáticos por parte de enzimas similares a la naftaleno dioxigenasa. Esta ruta se denomina “Ruta Kodama”.

Frente a Rhodococcus, este género permanece suspendido en el agua en los sistemas aceite-agua, lo que hace más inaccesible para la bacteria las moléculas de Cx-DBTs; aún así, las tasas de desulfurización que muestra lo hacen un género interesante para su utilización en los procesos de biodesulfurización.

Bacillus

Los estudios realizados con representantes de este género (por ejemplo con Bacillus subtilis WU-S2B) demuestran cierta ventaja por parte de estas bacterias moderadamente termofílicas, consistente precisamente en la capacidad de realizar desulfurización a alta temperatura (alrededor de los 50º C) con una gran eficacia.

Fig.5. Efecto de la temperatura en la desulfurización del DBT por parte de células de B. Subtilis WU-S2B en crecimiento durante 120 horas; , DBT consumido; , 2-HBP producido.

Dado que los procesos de hidrodesulfurización de combustibles diesel se producen a alta temperatura, su naturaleza termofílica representa una ventaja para este género, al poder acoplar mejor ambos procesos; además, el hecho de realizar la desulfurización a alta temperatura reduce las probabilidades de contaminación por parte de bacterias indeseables.

Gordona sp. CYKS1 y Nocardia sp. CYKS2

Se han realizado estudios usando suspensiones de células inmovilizadas de ambas estirpes obteniéndose resultados esperanzadores, aunque no concluyentes, sobre la posible futura aplicación industrial de estas cepas.

Paenibacillus

Se han purificado al menos dos de los enzimas que participan en la desulfurización del DBT (TdsA y TdsB) en la bacteria Paenibacillus sp. A11-2. Esta bacteria termofílica muestra mayor actividad en estos enzimas a temperaturas altas, como puede verse en la figura 6. Esto representa las ventajas enumeradas anteriormente.

Fig. 6. Efecto de la temperatura sobre la actividad (A y B) y la estabilidad (C y D) de TdsA y TdsB

Corynebacterium

Estudios con la cepa Corynebacterium sp. P32C1 muestran que esta bacteria presenta mayor capacidad en la biodesulfurización que la conocida cepa Rhodococcus erythropolis IGTS8, como se observa en la figura 7.

Fig. 7. Crecimiento (A), degradación de DBT (B), formación de 2-HBP (C) y cambio de HBPS (D).

Mycobacterium

Se han realizado estudios con la cepa Mycobacterium phlei WU-F1.

La principal ventaja de esta bacteria consiste en que muestra actividad en un amplio intervalo de temperatura, lo que la hace muy versátil a la hora del acoplamiento industrial de la biodesulfurización con otros procedimientos de desulfurización convencionales.

Sphingomonas

Se ha patentado alguna estirpe de este género para su uso industrial en biodesulfurización.

5 - Conclusiones

Nuestro conocimiento de cómo las bacterias metabolizan los heterociclos azufrados esta lejos de ser completo. Es necesaria una mejor comprensión de sus aspectos fundamentales para transformar esta interesante ruta microbiana en un auténtico proceso industrial. Hemos aprendido cómo Rhodococcus trata con estos compuestos disueltos en combustible y cómo esto podría engranarse tecnológicamente. Trabajos recientes han aportado una serie de conocimientos que podrían resultar útiles en este proceso de adaptación a la industria:

La comercialización de esta tecnología para la desulfurización de combustibles diesel u otros combustibles de transporte y para la obtención de surfactantes basados en el HPBS requiere la resolución de una serie de problemas críticos. Esto incluye resolver el inconveniente de la transferencia de masa a través de cambios en el proceso y los aspectos enzimáticos mediante un programa de evolución directa dirigida teniendo como objetivo los pasos enzimáticos específicos. Si se quiere tener lista la tecnología de cara a las nuevas normas reguladoras, continúa siendo necesario trabajar para superar los obstáculos tanto biológicos como referentes al proceso industrial.

BIBLIOGRAFÍA