Impacto de la biotecnologia en el sector industrial y energetico (página 2)
Enviado por Javier Fernández Rey
También es importante señalar que otra ventaja que presenta la utilización de biomasa en la producción de biocombustibles es estimular la actividad económica en las zonas rurales, y en concreto en las agrícolas y forestales. No cabe duda que muchos cultivos o tierras de labor que hoy en día se está pensando abandonar o no cultivar, debido a la nueva reforma de la Política Agrícola Común (PAC), pueden encontrar una segunda oportunidad como cultivos energéticos.
Así lo pone de manifiesto el informe "Una Estrategia de Biocarburantes para España (2005- 2010)", que indica la oportunidad que el sector de los biocarburantes representa para el tejido agrario y la creación de puestos de trabajo.
Los biocombustibles líquidos o biocarburantes se obtienen por transformación de materias primas específicas procedentes del sector agrícola siendo los principales el bioetanol y el biodiésel.
El bioetanol es un alcohol que se produce mediante fermentación a partir de cultivos de cereales, remolacha, patata o caña de azúcar. Su uso permite sustituir parcial o totalmente a las gasolinas o a los aditivos que se utilizan en los motores de explosión para aumentar el índice de octano. Entre las ventajas de su empleo se encuentran que es un producto soluble en agua, mucho más degradable que los hidrocarburos y su utilización supone evitar la emisión a la atmósfera del CO2 procedente del combustible fósil sustituido. Por cada litro de gasolina sustituido se evita la emisión de 1,85 kg de CO2 (incluyendo la emisión debida a la combustión directa así como la debida a los procesos de extracción, transporte y refino). En la actualidad se está desarrollando la producción de etanol a partir de materiales celulósicos, existiendo varias plantas piloto.
Recientemente se ha anunciado la apertura en Salamanca de la primera planta de producción de bioetanol a partir de celulosa, que se espera que sea operativa a finales de 2006.
El biodiésel se obtiene mediante la transesterificiación de aceites vegetales y de fritura y se utiliza como sustituto del gasóleo de automoción. En Europa la mayor parte de este aceite proviene de colza, pero en otros países también se utilizan soja, girasol, cacahuete o palma oleífera. Su fabricación es un proceso sencillo que se realiza a temperatura moderada en presencia de un catalizador. La utilización de biodiésel en lugar de gasóleo supone evitar la emisión a la atmósfera del CO2 procedente del gasóleo sustituido y se puede considerar que por cada litro de gasóleo reemplazado se evita la emisión de 2,38 kg de CO2, correspondientes a la combustión directa del carburante y a los procesos de extracción, transporte y refino. Además de la reducción de emisiones de CO2, el biodiésel no emite dióxido de azufre y se reduce la emisión de partículas, metales pesados, CO, COV y PAH.
La producción de biocarburantes en España se inició en el año 2000 con una planta de bioetanol construida en Cartagena y ha sufrido desde entonces un incremento notable, contando a finales de 2004 con ocho instalaciones. La capacidad que presentan estas instalaciones es de 415.000 toneladas de bioetanol y 322.000 de biodiésel.
En los próximos años es posible que a estos biocombustibles se una el biobutanol. Se trata de un alcohol semejante al etanol que presenta las ventajas de tener menor presión de vapor y mayor tolerancia a la contaminación con agua que las mezclas con gasolinas, lo que facilita su distribución y almacenamiento. Se puede obtener a partir de las mismas materias primas que el bioetanol mediante la fermentación con la bacteria Clostridium acetobutylicum.
El biogás procede de la digestión de la biomasa en condiciones anaerobias por microorganismos fermentadores del metano. Su composición es variable, pero está formado principalmente por metano y CO2 y, en menor proporción, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. Su poder calorífico está determinado por la concentración de metano, que puede aumentarse eliminando parte o todo el CO2 que lo acompaña. La ventaja que presenta la producción de biogás es que como materia prima pueden utilizarse residuos industriales y municipales, material orgánico procedente de la agricultura y ganadería, etc. No obstante, presenta algunas limitaciones, como elevados costes de producción y procesos de conversión biológica incompleta. Por último se encuentra el hidrógeno, considerado actualmente como un "vector energético" similar a la electricidad, cuya combustión produce agua y una gran cantidad de energía (27 Kcal/g). La ausencia de producción de gases invernadero en su combustión hace que se considere un combustible limpio. En la actualidad se extrae de productos derivados del petróleo, reformado de hidrocarburos y la electrolisis del agua, pero existe la posibilidad de obtenerlo mediante reformado de biomasa o bioetanol. Se están realizando investigaciones sobre la producción biológica de hidrógeno por microorganismos.
Existen determinadas algas verdes y cianobacterias capaces de fijar hidrógeno a partir de agua mediante un proceso fotobiológico que no requiere biomasa como intermediario. Estos microorganismos poseen unas enzimas denominadas hidrogenasas bidireccionales que, bajo ciertas condiciones, son capaces de usar los electrones involucrados en el proceso de fotosíntesis para reducir protones, generando hidrógeno molecular.
La ventaja que posee esta alternativa es que la fuente de electrones o poder reductor procede del agua, que es un sustrato limpio y, en teoría, inagotable. No obstante, es necesario continuar investigando con el fin de determinar las condiciones óptimas para obtener una eficiencia elevada y la posibilidad de reprogramar a estos organismos con el fin de eliminar las pérdidas asociadas a la fijación de carbono y formación de biomasa.
Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica IV
• T24: Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para la producción de biocombustibles.
• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de transformación para la producción de biocombustibles a partir de materias residuos orgánicos.
• T27: Producción biológica de hidrógeno.
3.5. Tendencia tecnológica V
Biotecnología ambiental
Como se viene indicando a lo largo del informe, la tendencia actual es reducir en la medida de lo posible las emisiones y los vertidos de residuos contaminantes. Sin embargo, este concepto no ha existido siempre, de modo que existen gran cantidad de suelos, aguas y sedimentos que se encuentran contaminados por vertidos procedentes de distintas industrias. El origen de esta contaminación es muy variado: desde un enriquecimiento en materia orgánica de cauces de ríos por vertidos de industrias agroalimentarias (incluyendo explotaciones ganaderas y agrícolas), hasta la acumulación de compuestos tóxicos como metales pesados, hidrocarburos halogenados, pesticidas, fármacos, aceites minerales e incluso radionucleidos, que pueden resultar muy persistentes. Muchas de estas sustancias se acumulan en los organismos vivos, pudiendo pasar incluso a la cadena alimentaria, por lo que en muchos casos la importancia de su eliminación no es sólo medioambiental, sino que puede ser un asunto de salud pública.
El tratamiento de suelos contaminados es costoso y lento y, en muchas ocasiones, puede conllevar la inutilización del suelo en cuestión (tratamientos químicos de inertización, lavado de suelos, soterramiento, etc.). La utilización de microorganismos o plantas para realizar estos tratamientos (biorremediación o fitorremediación) se plantea como una alternativa con menores costes y menor impacto ambiental.
En función del compuesto que se desea eliminar pueden usarse distintos organismos y distintas estrategias. Existen microorganismos capaces de degradar compuestos de difícil eliminación, o metabolizar ciertos compuestos tóxicos, produciendo otros con menor toxicidad o incluso inocuos. Estos tratamientos pueden realizarse in situ o bien ex situ, mediante el uso de reactores. En otras ocasiones, cuando un contaminante no puede degradarse, se recurre a su bioacumulación en los tejidos de plantas o microorganismos. La eliminación posterior de la biomasa generada en estos sustratos permite la descontaminación de los mismos.
Existen diferentes proyectos que han permitido desarrollar productos biológicos formulados con microorganismos naturales destinados a la biorremediación de aguas y suelos contaminados.
Algunos ejemplos de tratamientos son la reducción del contenido de amonio en efluentes mediante la utilización de cepas de Nitrosomonas y Nitrobacter o la degradación de grasas, proteínas y azúcares mediante la utilización de cepas de los géneros Azotobacter, Bacillus, Pseudomonas y Chaetomium. En España existen empresas que poseen distintos productos de este tipo, incluyendo detergentes biológicos de hidrocarburos, desengrasantes y desatascadores biológicos de grasas, así como productos para el tratamiento biológico de fosas y tratamiento biológicos inodoros.
Un proyecto interesante en este campo ha sido el tratamiento de las playas de la costa asturiana contaminadas por el fuel del Prestige, mediante inoculación de varias cepas de los géneros Corinebacterium y Pseudomonas sobre sustratos rocosos impregnados con fuel. Dichas cepas fueron aisladas previamente del entorno contaminado y producidas en fermentadores a escala semi-industrial. Como resultado de esta actuación se ha podido confirmar una reducción de más del 50% de distintas fracciones de fuel contaminante en un periodo de 15 días.
Otro problema medioambiental que presenta una importancia enorme es el de las emisiones de gases relacionados con el efecto invernadero. El dióxido de carbono es un gas con un importante efecto invernadero cuyas emisiones han aumentado de manera considerable, debido principalmente a la acción del hombre.
En espera de tecnologías limpias de combustión para los combustibles fósiles que no emitan gases contaminantes, se hace necesario el desarrollo de tecnologías de captura, transporte y almacenamiento para el CO2 que permitan eliminar al menos una parte de los gases que se están emitiendo en la actualidad. La posibilidad de incrementar la retención de CO2 en sistemas biológicos, en sedimentos o en océanos, constituye una aproximación muy importante para solucionar estos temas. La Biotecnología podría aportar ciertas "soluciones", como el desarrollo de plantas que acumulasen biomasa en sistemas radiculares o mejora del proceso fotosintético en sí mediante la mejora de la eficiencia de la enzima rubisco, responsable de la fijación del CO2 durante la fotosíntesis. Además, la Biotecnología constituye una herramienta esencial para poder comprender las relaciones complejas que existen en las comunidades marinas, que permitirían desarrollar enfoques respetuosos con estos ecosistemas.
Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica V
• T28: Remediación y depuración biológica con plantas: recuperación de iones metálicos, reducción de emisiones de gases contaminantes, biodegradación de pesticidas y contaminantes orgánicos y tóxicos.
• T29: Remediación y depuración biológica con microorganismos: recuperación de iones metálicos, reducción de emisiones de gases contaminantes, biodegradación de pesticidas y contaminantes orgánicos y tóxicos.
• T30: Desarrollo de tecnologías biológicas avanzadas que mejoren o aumenten los procesos naturales de captura de CO2 (ej. sistemas biológicos de diseño, especies fotosintéticas).
• T31: Desarrollo de tecnologías de desulfuración y desnitrogenación de combustibles basadas en microorganismos y enzimas específicas.
3.6. Otras tecnologías
Por último, es necesario señalar otras tecnologías que jugarán un papel importante en los próximos años, y cuyo desarrollo influirá sobre las tendencias anteriores.
A lo largo de la realización de este estudio se han identificado tres áreas tecnológicas de especial interés para la Biotecnología industrial y energética: cambios de escala en la producción industrial, nanotecnología y extracción de metabolitos y compuestos activos.
Los cambios de escala en la producción industrial son indispensables para reproducir las condiciones de laboratorio o planta piloto en una planta de producción industrial. En este sentido el desarrollo de modelos cinéticos predictivos del comportamiento de microorganismos, la simulación de procesos completos o la automatización de las condiciones de cultivo son áreas de especial interés para el futuro.
La Nanotecnología constituye en la actualidad uno de los campos de investigación más prometedores. Los conceptos de Nanociencia y Nanotecnología engloban el estudio, obtención y manipulación de materiales, sustancias y dispositivos en la escala nanométrica. Se trata de un campo de investigación multidisciplinar que incluye áreas como la física, química o la ingeniería, pero también otras como la biología, la medicina o el medio ambiente. Sus posibles aplicaciones se consideran enormes, ya que la Nanotecnología tiene cabida en prácticamente cualquier campo que se pueda imaginar, pero es necesario tener un conocimiento más profundo de lo que ocurre en este nivel nanométrico para conseguir su materialización. En el ámbito biotecnológico se podrían señalar la administración de fármacos in situ, la monitorización de parámetros biológicos, el desarrollo de dispositivos de control de sustancias combinando el desarrollo de nanomateriales con moléculas de origen biológico (o biotecnológico).
Por último, es importante señalar que el campo de la extracción de metabolitos microbianos y de extracción de compuestos activos vegetales ha experimentado un importante auge en la última década, empujada sin duda alguna por los alimentos funcionales o los productos de dietética y herboristería. La extracción y purificación de estos metabolitos o compuestos activos acarrea la utilización de tecnologías químicas, físicas y biológicas, embebidas en sistemas de procesos operativos industriales, que se mejoran y optimizan día a día. Así por ejemplo: en Murcia, del residuo de cosecha de la alcachofa se extrae y purifica peroxidasa (enzima de uso en diagnóstico) e inulina (oligosacárido de uso en alimentos funcionales); y en Madrid, se extrae y comercializa internacionalmente vitamina E de fuentes naturales para enriquecer alimentos.
Otras tecnologías
• T32: Desarrollo y empleo de modelos cinéticos altamente descriptivos para el crecimiento y producción de microorganismos, incluida la simulación de procesos.
• T33: Mejoras y automatización en la medición y control de las condiciones de cultivo y producción (ej. transporte y consumo de oxígeno).
• T34: Estudios de estrés en microorganismos (ej. estrés hidrodinámico).
• T35: Convergencia de la bionanotecnología para el desarrollo de múltiples dispositivos.
• T36: Nuevos desarrollos biotecnológicos para la extracción de metabolitos microbianos y compuestos activos vegetales.
Resultados de la encuesta
A partir de las tecnologías que el panel de expertos (ver Anexo III) consideró más relevantes para el desarrollo de la Biotecnología en los procesos industriales y de producción de energía, se realizó un cuestionario que se envió a investigadores del ámbito público, así como a representantes del sector industrial. Este cuestionario está diseñado de modo que permita valorar las distintas tecnologías en cuanto a su grado de importancia, a su posición competitiva frente a diversos factores y a la fecha de materialización (ver Anexo IV). Para evaluar el peso de las opiniones de cada participante se ha incluido una pregunta inicial de autoevaluación sobre el grado de conocimiento que poseen sobre cada tecnología.
A continuación se incluyen los resultados obtenidos.
El análisis estadístico general queda de la siguiente manera:
• Número de cuestionarios enviados: 254.
• Número de cuestionarios respondidos: 71.
• Tasa de respuesta del cuestionario: 28%.
Distribución de la participación
Los cuestionarios recibidos proceden de investigadores y expertos en el campo de la Biotecnología orientada a los procesos industriales y la producción de energía, pertenecientes a universidades, centros tecnológicos y de I+D y empresas, tanto industriales como tecnológicas.
La distribución de la participación por tipo de centro tiene una distribución polarizada: la mitad de las respuestas corresponden a universidades, y la otra mitad a centros de I+D y empresas, que contribuyen con prácticamente un cuarto de las respuestas cada uno de ellos.
Es importante señalar que en este caso la respuesta obtenida del sector industrial, es muy superior a la obtenida para realizar los informes del impacto de la Biotecnología en otros sectores como el agrario y sanitario.
Más del 80% de los cuestionarios recibidos corresponden a las comunidades autónomas de Madrid, Cataluña, Andalucía, Asturias, Murcia y Valencia, presentando las cuatro últimas un índice de participación muy similar.
La distribución de participación por comunidad autónoma es similar a la distribución del envío de los cuestionarios.
Nivel de conocimiento de los encuestados
El cuestionario sobre tecnologías se inicia con una primera pregunta de autoevaluación, que permite establecer el nivel de conocimiento de los encuestados.
En concreto, el 55% de los expertos encuestados declaró tener un conocimiento alto o medio de las tecnologías, mientras que el 45% declaró disponer de un conocimiento bajo.
El alto número de respuestas con nivel de conocimiento bajo podría dar lugar a desviaciones altas, en las respuestas dentro de una misma tecnología, sin embargo y como se observará a lo largo de los próximos gráficos, estas desviaciones no han sido significativas.
Tecnologías con mayor nivel de conocimiento declarado por los encuestados
• T15: Secuenciación del genoma completo de microorganismos de interés industrial.
• T2: Aislamiento, selección y mejora de cepas microbianas para biotransformación y bioproducción-explotación de la variabilidad natural.
• T21: Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.
• T16: Realización de mapas genéticos de microorganismos de interés industrial.
La distribución de la respuesta sobre el nivel de conocimiento tecnológico por tendencias tecnológicas, pone de manifiesto que en todas éstas se sigue una distribución parecida, salvo en biotransformación, en donde la respuesta de conocimiento medio es la primera elección.
Grado de importancia de las tecnologías
En la encuesta de tecnologías críticas, y después de la autoevaluación del encuestado, la primera pregunta es el grado de importancia de las tecnologías, pudiendo ser alto, medio, bajo o irrelevante. Como resultado a esta pregunta es importante señalar el alto grado de importancia cosechado, ya que más del 90% de las respuestas inciden en la trascendencia (importancia alta y media) de las 36 tecnologías encuestadas.
Tecnologías con mayor grado de importancia
• T35: Convergencia de la bionanotecnología para el desarrollo de múltiples dispositivos.
• T14: Identificación, aislamiento, purificación y expresión de enzimas industriales por tecnologías de alto rendimiento.
• T21: Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
• T7: Nuevos procesos enzimáticos, microbianos o microbiológicos para biotransformación y producción de compuestos químicos, compuestos quirales y polímeros.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para la producción de biocombustibles.
Posición competitiva de España
La siguiente pregunta, en el cuestionario de tecnologías críticas, consistía en valorar, por su posición competitiva, una serie de factores que inciden de manera directa en dicha competencia y que incluyen los siguientes:
• Conocimiento tecnológico.
• Presencia industrial.
• Recursos económicos.
• Equipamientos en red/servicios.
• Legislación.
Como resultado de esta evaluación, el 75% de los encuestados han mostrado que la posición competitiva de España, medida por los factores enumerados con anterioridad, es menos ventajosa o claramente desaventajada frente a sus competidores o rivales. Los factores competitivos mejor valorados son el
conocimiento científico, el conocimiento tecnológico y los recursos humanos, por orden de valoración positiva. Mientras que los factores competitivos peor valorados son los recursos económicos, la presencia industrial y los equipamientos en red y/o servicios y la legislación, por orden de valoración negativa
Tecnologías con mayor grado de competencia
• T24: Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para la producción de biocombustibles.
• T8: Biocatálisis para la producción de productos farmacéuticos.
• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de transformación para la producción de biocombustibles a partir de materias residuos orgánicos.
• T21: Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
En este contexto, es importante señalar que el conocimiento científico es el único factor competitivo, de los analizados, que cosecha más respuestas positivas que negativas a su posición competitiva.
Este hecho refuerza la idea de que cualquier acción encaminada a mejorar nuestra capacidad competitiva en Biotecnología industrial energética, debe pivotar sobre los investigadores. La posición competitiva de España por factores, se representa en el siguiente gráfico.
Fecha de materialización de las tecnologías
Por último, el cuestionario solicita una estimación razonable del tiempo de materialización o realización de cada tecnología en concreto, pudiendo posicionarse el encuestado en cuatro horizontes temporales: 2005-2010: 2010-2015; 2015-2020; y >2020.
Según los expertos consultados la gran mayoría de las tecnologías se materializarán a lo largo del primer periodo de tiempo, 2005-2010, quedando alguna relegada para el segundo y tercer periodo de tiempo, 2010-2015 y 2015-2020, y tan sólo una tecnología, la producción biológica de hidrógeno, para el último periodo de tiempo, >2020.
Tecnologías con mayor grado de proximidad
• T4: Mejoras tecnológicas en la producción, purificación y estabilización de enzimas de uso industrial.
• T3: Nuevos desarrollos tecnológicos para la inmovilización de enzimas y microorganismos.
• T2: Aislamiento, selección y mejora de cepas microbianas para biotransformación y bioproducción-explotación de la variabilidad natural.
• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.
• T15: Secuenciación del genoma completo de microorganismos de interés industrial.
• T21: Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
• T24: Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.
Selección de tecnologías críticas
A continuación se procede a realizar la selección de las tecnologías críticas de entre las 36 encuestadas, y para ello se realiza un sencillo ejercicio que consiste en valorar cada una de las tecnologías en función de tres parámetros básicos: la importancia, las capacidades y la proximidad temporal. Cada uno de estos parámetros se ha normalizado en base a las respuestas obtenidas en el cuestionario, si bien eliminando aquellas respuestas donde el encuestado se declara con bajo conocimiento sobre esta tecnología. Así pues a todas y cada una de las tecnologías se les asigna tres índices (ver Anexo V): Índice del Grado de Importancia (IGI). Índice del Grado de Capacidades (IGC). Índice del Grado de Proximidad Temporal (IGP).
La utilización de estos índices permite la representación cartesiana de la posición en que se encuentran las 36 tecnologías encuestadas: en el eje vertical se encuentra la importancia, en el eje horizontal las capacidades y por último, el diámetro de la burbuja indica la proximidad temporal. Si sobre esta representación trazamos una línea horizontal sobre la media de la importancia y una línea vertical sobre la media de capacidades, queda el gráfico dividido en cuatro cuadrantes, siendo el cuadrante superior derecho el que incluye las tecnologías críticas. Repitiendo este ejercicio en dos ocasiones se puede llegar a identificar un número reducido de tecnologías "supercríticas".
Por último citar que el resultado de este ejercicio se puede modular por dos vías:
A través del diámetro de las burbujas, pues si alguna tecnología con alta proximidad (gran diámetro de burbuja) se encuentra fuera del cuadrante de tecnologías críticas, se puede reconsiderar su inclusión; y también puede modularse con el Panel de Expertos, pues si alguna tecnología de gran interés queda fuera del cuadrante de tecnologías críticas, dicho panel puede recomendar reconsiderar su inclusión en el grupo de tecnologías críticas.
Tecnologías críticas
• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.
• T3: Nuevos desarrollos tecnológicos para la inmovilización de enzimas y microorganismos.
• T4: Mejoras tecnológicas en la producción, purificación y estabilización de enzimas de uso industrial.
• T8: Biocatálisis para la producción de productos farmacéuticos.
• T14: Identificación, aislamiento, purificación y expresión de enzimas industriales por tecnologías de alto rendimiento.
• T21: Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
• T24: Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.
• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para la producción de biocombustibles.
• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de transformación para la producción de biocombustibles a partir de materias residuos orgánicos.
Además, en esta selección de tecnologías se incluirán dos más que el panel de expertos consideró de relevancia. Se trata de las tecnologías número 22 y 35.
• T22: Sistemas de control de expresión de múltiples genes para ingeniería metabólica y producción de sistemas enzimáticos complejos (Biología de Sistemas).
• T35: Convergencia de la bionanotecnología para el desarrollo de múltiples dispositivos.
Fichas tecnológicas
Tecnología crítica I
Nuevas enzimas
Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.
Descripción
El uso de enzimas como biocatalizadores en procesos de síntesis, transformación y degradación de productos químicos es una tecnología metodológicamente establecida que se presenta como una tendencia de futuro en la industria química, farmacéutica, alimentaria, etc., debido a las propias características de especificidad y eficiencia de la catálisis enzimática y, sobre todo, por tratarse de una tecnología limpia, de baja demanda energética y no agresiva con el medio ambiente. Esta área tecnológica permite tanto el descubrimiento de nuevas enzimas, ya presentes en la naturaleza, como rediseñar nuevas enzimas con nuevas propiedades, de actividad o funcionalidad, utilizando en estos últimos las herramientas de evolución dirigida e ingeniería de proteínas.
Aplicaciones
Si bien ya se dispone de determinadas enzimas industriales (especialmente hidrolasas), con aplicaciones en detergencia, procesado de alimentos, degradación de biomasa, pulpa de papel, etc., todavía son pocos los procesos enzimáticos en química transformadora adaptados al uso industrial. Algunas de estas nuevas aplicaciones incluyen la síntesis de productos químicos tanto en química de base como en
química fina (ej. uso de esterasas en mezclas racémicas); producción de nuevos materiales y compuestos de interés industriales (ej. biopolímeros); y producción de biocombustibles, entre otras. Un buen ejemplo en esta área son las lipasas, que han sido mejoradas por mutagénesis dirigida y que son utilizadas para la síntesis de tensioactivos, resolución de mezclas racémicas o el curado de quesos.
Posición
Excelente conocimiento científico a nivel nacional si bien la poca presencia industrial y la falta de recursos económicos no han permitido el desarrollo tecnológico, hasta la fecha.
Ventajas
Gran interés en el sector de la Biotecnología Industrial para sustituir o adaptar procesos químicos convencionales por procesos enzimáticos como tecnologías limpias. España dispone de un buen conocimiento científico en esta área.
Limitaciones
A pesar de existir una fuerte demanda por este tipo de tecnología en sectores tradicionales como el textil, papelero, curtido, farmacéutico, materiales… en España disponemos de poca capacidad tecnológica (ej. plataformas de High Throughput Screening) para satisfacer esta demanda.
Medidas
Fomentar proyectos conjuntos entre empresas y grupos de investigación para el desarrollo de aplicaciones concretas.
Indicadores de seguimiento
Principalmente patentes españolas, además de proyectos de I+D y publicaciones.
Fecha de materialización
2005-2020
Tecnología crítica II
Inmovilización de enzimas
Desarrollos tecnológicos para la inmovilización de enzimas y microorganismos.
Descripción
La inmovilización de enzimas y microorganismos consiste en la reducción de los grados de libertad de movimiento de los mismos mediante su unión a un soporte, su atrapamiento en una matriz o su adsorción sobre una superficie. La inmovilización de enzimas permite la obtención de derivados enzimáticos más estables que la enzima en disolución que, además, pueden ser reutilizados, fácilmente separados de los productos del componente catalítico y permiten un diseño y control más sencillo de los mismos, ya que pueden asimilarse a catalizadores químicos. En el caso de los microorganismos su inmovilización en soportes adecuados permite separar la biomasa celular catalítica de la fase que contiene los sustratos y productos, así como desacoplar el crecimiento microbiano de los procesos.
Aplicaciones
Utilización de enzimas inmovilizadas:
Producción de L-aminoácidos, mediante el uso de L-aminoacilasa; producción de jarabes de fructosa mediante glucosa isomerasa; e hidrólisis de lactosa en leche mediante ß-galactosidasa, entre otros.
Utilización de microorganismos:
Producción de etanol mediante células inmovilizadas de Saccharomyces; y producción del aminoácido L-aspártico, entre otros.
Posición
Tal y como refleja el gráfico de posición global, la proximidad temporal de esta tecnología es más que inminente, es ya una realidad.
Ventajas
Se dispone de buen conocimiento científico y tecnológico. Es la única metodología para desarrollar procesos industriales catalizados por enzimas, por lo que se considera insustituible.
Limitaciones Apenas se dispone de empresas que desarrollen esta tecnología.
Medidas Incentivar el escalado de la tecnología a nivel industrial y su implantación.
Indicadores de seguimiento
Seguir los procesos industriales en curso o en desarrollo.
Fecha de materialización 2005-2020.
Tecnología crítica III
Optimización de enzimas industriales
Mejoras tecnológicas en la producción, purificación y estabilización de enzimas de uso industrial.
Descripción
La optimización de enzimas industriales tiene como objetivo principal mejorar los rendimientos, los costes y las condiciones de trabajo de estos biocatalizadores. En principio, los esfuerzos se dirigen a mejorar tres aspectos concretos: la producción, la purificación y la estabilización. En materia de producción se están haciendo importantes avances para aumentar el grado de expresión de la proteína objetivo por encima de 100 mg/l de cultivo. Para conseguirlo en la actualidad se utilizan nuevos vectores para expresión heteróloga mucho más eficientes y que pueden ser utilizados en una gran batería de huéspedes, en concreto bacterias u hongos/levaduras (estreptomicetos, rodococos, pseudomónadas, Pichia pastoris…) que a su vez han sido especialmente elegidos, mediante selección genética o modificación genética, para obtener altos rendimientos y/o actividades enzimáticas.
Aplicaciones
La obtención de enzimas más o menos purificadas (en función de su aplicación) a unos precios entre 5 y 10 veces menores que los actuales, permitirá la industrialización de procedimientos alternativos a los solamente físico-químicos, en los que uno o varios pasos sean realizados con catalizadores biológicos. Con dichos avances, las enzimas son y serán ampliamente utilizadas en una gran variedad de procesos industriales, incluyendo agroalimentación (síntesis de alimentos nutricionales como vitaminas y triglicéridos estructurados, o funcionales como prebióticos, flavonoides, esteroides, ácidos poliinsaturados), química verde, biorremediación y biodesulfuración de petróleo, entre otras.
Posición
La proximidad temporal es la más alta, se trata pues de una tecnología actual susceptible de mejoras puntuales que redunden en mayor eficiencia.
Ventajas
En España disponemos de un buen conocimiento científico y tecnológico, así como de un marco legal y reglamentario favorable.
Limitaciones
La escasez de presencia industrial, de recursos económicos y de infraestructuras que puedan utilizarse en colaboración o régimen de servicio, lastra de manera significativa el desarrollo de esta área tecnológica.
Medidas
Programas y fondos públicos y/o privados tanto a las Empresas de Biotecnología para que sean competitivas, como para la formación de spin-offs.
Indicadores de seguimiento
Seguir la diseminación de resultados de investigación (patentes, publicaciones, informes).
Fecha de materialización 2005-2020.
Tecnología crítica IV
Bioproducción de fármacos
Biocatálisis para la producción de productos farmacéuticos.
Descripción
El uso de biocatalizadores en la preparación de fármacos es un proceso extraordinariamente simple, especialmente cuando se usan enzimas hidrolíticas (ej. lipasas). En los últimos años han mostrado utilidad para la preparación de compuestos quirales de manera enantiopura. Los compuestos quirales se caracterizan por la presencia de uno o varios átomos, denominados asimétrico o quiral, unido a cuatro
grupos distintos. Dichos grupos pueden adoptar distintas posiciones en el espacio dando lugar a compuestos que pueden presentar distintas propiedades químicas o biológicas, pudiendo ser activos ambos compuestos, sólo uno de ellos o incluso tener actividades distintas, así como distinta toxicidad.
La importancia de los enantiómieros en la industria farmacéutica es conocida desde que se descubrieron los efectos teratógenos de uno de los enantiómeros de la talidomida en los años 60.
Aplicaciones
A título de ejemplo se pueden destacar la aplicación en las siguientes familias de fármacos:
• Preparación del isómero más activo en antiinflamatorios no estereoideos.
• Síntesis de antibióticos, especialmente de penicilinas y cefalosporinas.
• Resolución enzimática de algunas dihidropiridinas, que son antagonistas de calcio.
• Preparación del enantiómero más activo de derivados adrenérgicos.
• Síntesis de algunos aminoácidos presentes en fármacos.
• Síntesis de intermedios quirales para la preparación de algunos antidepresivos.
Posición
La valoración global de esta tecnología es superior a la media de las tecnologías seleccionadas. Todos los parámetros que se tienen en cuenta para evaluar la capacidad son superiores a la media de las tecnologías seleccionadas, en especial el conocimiento científico y tecnológico y la presencia industrial.
Ventajas
El uso de catalizadores metálicos conlleva a la obtención de productos menos puros, y en algunos campos, como en química farmacéutica, es fundamental no arrastrar residuos contaminantes en el producto final. Esta tecnología permite sustituir procesos industriales, buscar nuevos nichos de mercado y cumplir con
los nuevos marcos legislativos (ej. REACH).
Limitaciones
La biocatálisis y la bioproducción farmacéutica complementan o incluso sustituyen procedimientos tradicionales, por lo que la barrera cultural es en ocasiones limitante en la implantación de esta tecnología.
Medidas
Facilitar la colaboración entre empresas farmacéuticas y tecnológicas con grupos de investigación. Los grupos de investigación podrían ayudar a identificar nuevas cepas microbianas y las empresas a caracterizar y optimizar enzimas.
Indicadores de seguimiento
Comprobar el número de patentes de procesos biocatalíticos que están desplazando a los procesos químicos cuando expira la patente.
Fecha de materialización 2005-2020 (en los próximos años asistiremos a una optimización de esta tecnología)
Tecnología crítica V
Alto rendimiento en producción enzimática
Identificación, aislamiento, purificación y expresión de enzimas industriales por tecnologías de alto rendimiento.
Descripción
El creciente uso de enzimas en procesos industriales desde hace más de dos décadas revela un éxito que ha hecho cada vez más interesante revisar procesos químicos por si pudiera existir una alternativa catalizada enzimáticamente. Por tanto, la búsqueda de nuevas enzimas desde la vasta diversidad natural, proyectos genomas o por la misma evolución dirigida in vitro de enzimas conocidas, es un área de gran interés industrial. En este contexto, la necesidad de ser competitivos produciendo y seleccionando nuevas enzimas en el menor tiempo posible hace normal que la automatización (High Throughput) cobre un protagonismo al mejorar el rendimiento y acelerar el proceso de la identificación, producción y purificación de nuevas enzimas.
Aplicaciones
Los procedimientos de automatización de identificación y producción enzimática se aplican ya por algunas empresas industriales y/o tecnológicas para satisfacer múltiples demandas industriales, como la producción de biocombustibles o el blanqueo del papel. La proteasa subtilisina, que representa el 35% del mercado de enzimas industriales, tiene patentes con reivindicaciones que cubren sus 275 aminoácidos y variantes, ya que se han realizado múltiples mutantes de esta enzima, de manera automatizada que cubren aplicaciones tan diversas como los detergentes y el tratamiento facial.
Posición
Importancia y proximidad temporal por encima de la media, siendo la segunda tecnología más importante. Capacidades ligeramente inferiores a la media debido principalmente a la baja puntuación obtenida en legislación.
Ventajas
La principal ventaja reside en el conocimiento acumulado por los investigadores de universidades y centros públicos, así como la buena formación de todo el personal científico.
Limitaciones
No existe suficiente base teórica para predecir cuál es el sistema de expresión y purificación más apropiado para cada secuencia polipeptídica, si bien muchos de ellos necesitan de tecnología transgénica de alto coste de implementación.
Medidas
Proyectos y redes de investigadores multidisciplinares para el uso de equipos automatizados, contando con empresas interesadas tanto como proveedores como desarrolladores de nuevas tecnologías. Formación de ingenieros en biotecnología y promover la generación de spin-offs desde grupos de I+D.
Indicadores de seguimiento
Patentes, artículos científicos, instalación de equipos de automatización de manejo de microorganismos. Contratos firmados por los suministradores de servicios. Creación de nuevas empresas relacionadas con la producción y purificación de nuevas enzimas.
Fecha de materialización 2006-2020.
Tecnología crítica VI
Escalado industrial de la producción
Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
Descripción
En general, por cambio de escala se entiende el aumento de escala de los procesos, es decir, el aumento de tamaño de los equipos en que se realiza el proceso, de la escala de laboratorio a la escala industrial, habitualmente pasando por escalas o tamaños intermedios (planta piloto). Obtener cantidades significativas de un producto (kilos e incluso alguna tonelada, en lugar de gramos o miligramos), requiere operar de una forma distinta a la de laboratorio, que es la escala a la que normalmente el proceso ha sido determinado, comprobado y descrito. Dos factores críticos en este proceso son: optimizar el transporte, tanto de nutrientes al interior de las células como de los productos, al exterior de las mismas, para su posterior purificación; y alcanzar las especificaciones de pureza de producto requeridos, ya que las separaciones con membrana y cromatografía a escala industrial ofrecen buenas expectativas, todavía se necesitan nuevos avances tecnológicos.
Aplicaciones
• Industria agroalimentaria: producción de renina para la industria de quesos (hongos, levaduras, bacterias); ß-galactosidasa, para eliminar la lactosa de la leche (levaduras); glucosa isomerasa (hongos).
• Uso farmacéutico o veterinario: penicilina acilasa para síntesis de antibióticos (bacterias); hormonas humanas o animales (bacterias, levaduras, células de mamífero); factores de coagulación de la sangre (bacterias, células de mamífero); vacunas (levaduras); anticuerpos (células de mamífero).
• Enzimas de interés industrial: fitasas, amilasas, peptinasas, proteasas, peroxidasas, etc., de uso agroalimentario o para la industria del textil (detergentes incluidos), generalmente producidas en bacterias, hongos o levaduras; celulasas, para la producción de combustibles (hongos).
Posición
Capacidades muy semejantes a la media de las tecnologías seleccionadas.
Presenta índices de proximidad temporal y de importancia superiores a la media, siendo la tercera tecnología más importante.
Ventajas
España dispone de buenos conocimientos tecnológicos y de ingeniería, como lo demuestra el hecho de la existencia de varias plantas de ensayo e incluso plantas industriales para "bioproducir" biocombustibles y antibióticos.
Limitaciones Algunos de los temas a resolver se encuentran en la frontera del conocimiento.
Medidas
Incentivar el cambio de escala científico. Programas específicos que permitan trasladar los resultados de laboratorio a plantas industriales.
Indicadores de seguimiento
El desarrollo e implantación a nivel comercial de nuevos procesos.
Fecha de materialización 2005-2020 (nuevos procesos se escalarán a lo largo de los próximos años).
Tecnología crítica VII
Bioetanol a partir de almidón
Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.
Descripción
La transformación del cereal en etanol se puede conseguir de dos maneras diferentes, denominadas "molienda seca" y "molienda húmeda" respectivamente. Ambos procesos incluyen esencialmente las mismas etapas: preparación de la materia prima, hidrólisis (a-amilasa y glucoamilasa), fermentación de los azúcares simples (levaduras) y recuperación del etanol y de los materiales residuales no alcohólicos.
La principal diferencia es el tipo de material para ser fermentado. En el proceso de molienda húmeda el cereal es empapado y posteriormente molido mientras que en el proceso de molienda seca el grano es molido en seco y posteriormente empastado. La concentración final del etanol en el mosto fermentado ronda el 11%, por lo que es necesario destilarlo hasta el 96% aproximadamente y, posteriormente deshidratarlo hasta el 99.9% para uso como combustible.
Aplicaciones
Tipos de combustibles:
• ETBE: mezcla de bioetanol e isobuteno que sirve como alternativa al MTBE que se obtiene a partir del petróleo y se utiliza como mejorante del índice de octano. Se mezcla hasta el 15%.
• Gasolinas oxigenadas: contienen hasta un 5% de etanol sin necesidad de modificar el motor.
• E-85: combustible que contiene hasta el 85% de etanol y sólo un 15% de gasolina
• E-diesel: se obtiene añadiendo etanol al gasóleo convencional, junto con otros aditivos.
• Pilas o celdas de combustible (fuel cells).
Posición
Capacidades superiores a la media de las tecnologías seleccionadas, destacando frente a la media en presencia industrial, recursos económicos y conocimiento tecnológico.
Ventajas
Todos los factores competitivos son ventajosos si bien el principal es la presencia industrial: la empresa española Abengoa, a través de su filial Abengoa Bioenergy, es uno de los líderes mundiales en producción de bioetanol.
Limitaciones
Los biocombustibles, y en concreto el bioetanol, todavía no han entrado con fuerza en los mercados europeos, debido a fuerzas de mercado y a la necesidad de desarrollar un programa claro de sustitución paulatina de carburantes fósiles (ej., 30 by 30 en EE.UU.: 30% de bioetanol en 2030).
Medidas
Promover la investigación aplicada en las etapas biológicas de los procesos de obtención de bioetanol que son los que más posibilidades ofrecen para reducir los costes de producción.
Indicadores de seguimiento
Enzimas, levaduras o procesos biológicos transferidos a la industria y con aplicación comercial durante el periodo. El uso de bioetanol disminuye considerablemente las emisiones contaminantes a la atmósfera, por lo que el nivel de emisiones en un país es un parámetro de seguimiento.
Fecha de materialización 2005-2020.
Necesidadesde I+D para producción de Bioetanol a partir de almidón
• Incrementar la cantidad de almidón en cultivo y/o facilitar su biodisponibilidad.
• Cócteles enzimáticos capaces de hidrolizar el almidón residual desde el 10% al 4%.
• Enzimas tolerantes a medios ácidos.
• Nuevas enzimas para la conversión de azúcares C5.
• Mejoras enzimáticas para disminuir el consumo energético en la etapa de cocción.
• Cepas de levaduras tolerantes a mayores temperaturas y concentraciones de etanol.
• Biotratamientos alternativos para la digestión del almidón residual.
• Crecimiento de microorganismos para mejorar el contenido proteico de DDGS.
Tecnología crítica VIII
Bioetanol a partir de celulosa
Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para la producción de biocombustibles.
Descripción
En los procesos de producción de etanol basados en hidrólisis enzimática es necesario realizar un pretratamiento de la biomasa lignocelulósica (compuesta de tres fracciones: celulosa cristalina, hemicelulosa y lignina) que altere la compleja estructura de este tipo de materiales, facilitando así la acción de las enzimas celulolíticas. Tras la fase de pretratamiento se realiza una etapa de hidrólisis en la que la celulosa se transforma en glucosa (mediante celulasas) y esta es posteriormente fermentada a etanol por la acción de microorganismos (normalmente levaduras). Una vez obtenidos los mostos azucarados se someten a un proceso de destilación y posteriormente a una deshidratación hasta conseguir bioetanol anhidro, que es la calidad necesaria para mezclas con combustibles de origen fósil.
Aplicaciones
La utilización del bioetanol obtenido a partir de celulosa no contribuye de manera neta a la emisión de CO2 y puede ayudar a mitigar el efecto invernadero, por lo cual se le considera como uno de los combustibles más prometedores para el futuro. Si bien todavía existen dudas sobre la optimización técnica de este proceso en el corto o medio plazo. En la actualidad existen diferentes instalaciones piloto o de demostración de esta tecnología: Arkenol, BCI, Masada, IOGEN, Etek y Biocarburantes de Castilla y León.
Posición
Obtiene puntuaciones superiores a la media en todos los factores, destacando frente a la media en recursos humanos y económicos, presencia industrial y conocimiento científico. La importancia y la proximidad temporal son también superiores a la media.
Ventajas
La coyuntura actual del petróleo en precios máximos históricos está favoreciendo el desarrollo de fuentes energéticas y de materiales alternativos, entre ellos el bioetanol a partir de celulosa.
Limitaciones
Las principales limitaciones son de índole técnico, es necesario mejorar los procesos de hidrólisis enzimática y de fermentación biológica.
Medidas
Avanzar en el desarrollo del pretratamiento y las etapas basadas en procesos biológicos que son las que ofrecen mayores oportunidades para reducir los costes finales del bioetanol.
Indicadores de seguimiento
Establecimiento de las primeras instalaciones piloto y de demostración.
Fecha de materialización 2005-2020.
Necesidades de I+D para producción de Bioetanol a partir de celulosa
• Mejoras en los catalizadores biológicos responsables de la hidrólisis de la celulosa (cóctel de endo-glucanasas, exo-glucanasas y ß-glucanasas más efectivos).
• Producción de enzimas on-site (en la misma planta vegetal) para reducción de costes.
• Co-fermentación de hexosas y pentosas con altos rendimientos.
• Destilación de mostos con bajo grado alcohólico.
Tecnología crítica IX
Biocombustibles a partir de residuos orgánicos
Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de transformación para la producción de biocombustibles a partir de materias residuos orgánicos.
Descripción
Los residuos orgánicos son una interesante materia prima para la obtención de biocombustibles mediante procesos biotecnológicos. Algunos residuos pueden ser transformados en metano mediante un proceso de digestión anaerobia o fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de gases (principalmente metano y dióxido de carbono), conocida como "biogás". Además, una gran parte de los materiales con alto contenido en celulosa (residuos de los sectores agrícola, forestal e industrial) son susceptibles de ser utilizados como materia prima para la producción de etanol como combustible.
Por último, los aceites de fritura y las grasas animales residuales pueden transformarse en biodiesel, que si bien en la actualidad se produce a partir de la reacción química de los triglicéridos y alcohol (etanol o metanol) en presencia de catalizadores, originando ésteres metílicos y etílicos, también puede realizarse por técnicas biotecnológicas utilizando lipasas.
Aplicaciones
La principal aplicación es obtener una nueva fuente de energía renovable (biogás, bioetanol o biodiesel) al tiempo que se reduce el crecimiento de los residuos orgánicos. Otra aplicación futura en este campo tecnológico es la creación de biorrefinerías o industrias que integren los procesos de conversión de biomasa y el equipamiento para producir un amplio rango de productos (combustibles, electricidad y productos químicos de valor añadido) a partir de biomasa. El concepto de biorrefinería es análogo al que actualmente se utiliza para las refinerías de petróleo que producen múltiples combustibles y productos a partir del petróleo.
Posición
La posición competitiva española en esta tecnología es muy similar a la media de todas las tecnologías analizadas, si bien hay una presencia industrial mayor, y como consecuencia mayores recursos económicos.
Ventajas
La principal ventaja es el atractivo que presenta esta área tecnológica para la industria, tanto por la coyuntura actual con el petróleo y sus derivados como por las importantes inversiones públicas en materia medioambiental.
Limitaciones
Al igual que con la anterior tecnología, la principal limitación es técnica. Es necesario mejorar los catalizadores biológicos responsables de la hidrólisis de la celulosa (bioetanol) y de la esterificación de los ácidos grasos (biodiésel).
Medidas
Apoyar la investigación en el desarrollo de procesos para los diferentes residuos considerados.
Indicadores de seguimiento
Establecimiento de plantas piloto y demostración.
Fecha de materialización 2005-2020.
Necesidades de I+D para producción de Biocombustibles a partir de residuos Orgánicos
• Pretratamientos debido a la composición heterogénea de los residuos, ya sean RSU, residuos industriales, EDAR y ganaderos.
• Mejorar los catalizadores biológicos responsables de la hidrólisis de la celulosa y de la esterificación de los ácidos grasos.
• Destilación de mostos con bajo grado alcohólico.
• Desarrollo de biorrefinerías.
Tecnología crítica X
Biología de sistemas
Sistemas de control de expresión de múltiples genes para ingeniería metabólica y producción de sistemas enzimáticos complejos.
Descripción
Como Biología de Sistemas, entre otras definiciones, se entiende el estudio de un organismo, observado como un conjunto de redes integradas de sus genes, proteínas y reacciones bioquímicas que expliquen la fisiología de la célula y, en su caso, la de los órganos, tejidos y la del propio organismo, que originan la vida. Por tanto, su objetivo es la comprensión del comportamiento de las redes biológicas y, en particular, de sus aspectos dinámicos. La Biología de Sistemas está caracterizada por una parte experimental de manipulación del organismo y medida de las redes y otra computacional de estructuración de la información, modelado y simulación de las mismas, en respuesta a las perturbaciones del sistema.
Aplicaciones
La principal aplicación es el diseño de microorganismos optimizados para la máxima obtención de metabolitos y/o productos activos. Así por ejemplo se ha modificado adecuadamente Escherichia coli para la producción de licopeno (pigmento natural con propiedades anti-cancerígenas); Corynebacterium glutamicum para la sobreproducción de lisina (aminoácido esencial usado en alimentación humana y animal); y Aspergillus terreus para sobre-expresar lovastatina (antibiótico), entre otros. También se ha
utilizado en la identificación de dianas terapéuticas mediante modelos dinámicos de sistemas biológicos en enfermedades específicas humanas como asma, obesidad, artritis reumatoide y diabetes.
Posición
Importancia superior a la media de las tecnologías seleccionadas. Sus capacidades y su proximidad temporal son ligeramente inferiores a la media.
Ventajas
España dispone de una buena base de conocimiento científico e infraestructuras científicas en biología molecular, genómica y bioinformática que pueden servir de base para la Biología de Sistemas o comprensión de la actividad funcional desde una perspectiva global de sistema.
Limitaciones
Las principales limitaciones son técnicas y culturales: entre las primeras destacan la necesidad de disponer de tecnologías de experimentación más avanzadas y la estandarización de las bases de datos; y entre las segundas, la escasa colaboración interdisciplinaria entre ingenieros, físicos, bioinformáticos y bioquímicos.
Medidas
Entre las medidas a implementar figuran la creación de una red nacional de Biología de Sistemas, estimular la formación de especialistas y favorecer la creación de centros interdisciplinares y/o parques científicos.
Indicadores de seguimiento
Número de proyectos, patentes y publicaciones en Biología de Sistemas.
Fecha de materialización 2010-2025.
Tecnología crítica XI
Bionanotecnología
Convergencia de la bionanotecnología para el desarrollo de múltiples dispositivos.
Descripción
La Nanobiotecnología es un área emergente que implica la integración (convergencia) de la Biotecnología con la nanofabricación, para el desarrollo de nuevos dispositivos. Combina la ciencia de materiales, de superficies, física y química con la biología celular y molecular, la biofísica y la microfluídica. Su principal potencialidad radica en el hecho de poder trabajar a un nivel de la estructura de la materia que llega a la molécula. Ello permite abrir todo un nuevo paradigma de descubrimiento e innovación, del que sin duda se generarán nuevas aplicaciones.
Aplicaciones
En una dirección, se podrán analizar y caracterizar procesos celulares a nivel molecular (interacciones entre moléculas, entre moléculas y las superficies de las células, etc.), que permitirán un mayor grado de comprensión de los procesos que ocurren a nivel subcelular, la función de las biomoléculas y la fisiología humana. En otra dirección, a partir de bloques a nivel molecular y subcelular, se podrán diseñar y nanofabricar nuevos dispositivos con múltiples aplicaciones: análisis biomoleculares, nuevos biosensores, microdinámica celular, biomateriales a nanoescala, materiales biomiméticos y nuevos dispositivos biomédicos, entre otros.
Posición
Es la tecnología que mayor importancia presenta, aunque las capacidades son muy inferiores a la media en todos los aspectos, obteniendo puntuaciones muy bajas en parámetros como presencia industrial.
Ventajas
Existen en España buenos centros en todos los dominios a integrar (Biotecnología, Microelectrónica, Materiales, etc.), al tratarse de una tecnología emergente, que ofrece oportunidades de innovación.
Limitaciones
Lograr una buena convergencia y coordinación entre campos que hasta ahora han trabajado por separado, con orientaciones muy específicas.
Medidas
Incentivar acciones movilizadoras y de convergencia tecnológica y fomentar iniciativas que permitan identificar nichos de futuro para proyectos conjuntos universidad y empresa.
Indicadores de seguimiento
Nuevos grupos de investigación, centros tecnológicos interdisciplinares, patentes y empresas spin-off en el campo.
Fecha de materialización 2015-2020.
Conclusiones
El sector industrial químico-farmacéutico en España, generó en 2005 un valor de producción de 35.600 millones de euros, correspondiente al 10% de PIB, proporcionando más de 500.000 empleos. Es además el primer inversor en I+D+i y se trata de un sector indispensable para el resto de los sectores industriales. Sin embargo, a pesar de estas cifras, se enfrenta a una serie de retos que pueden marcar un punto de inflexión en su desarrollo. Se trata de asuntos como la pérdida
de competitividad frente a países del sudeste asiático, la protección del medio ambiente y la futura implantación de la normativa REACH y el aumento de los costes energéticos, entre otros.
En la persecución por alcanzar los objetivos de la Agenda de Lisboa, que incluyen la mejora de la competitividad económica a través de la innovación tecnológica, el sector químico-industrial español y, por ende el europeo, está posicionando su negocio hacia la Biotecnología Industrial. No en vano, la Comisión Europea dentro del Séptimo Programa Marco concede gran prioridad a la investigación sobre la Biotecnología Industrial incluyendo acciones como "Ciencias de la vida y biotecnología para los
productos y procesos no alimentarios sostenibles", que abarca el uso de la biotecnología para mejorar la productividad, la sostenibilidad y la composición de materias primas de biomasa y el desarrollo de nuevos bioprocesos.
La Biotecnología Industrial se caracteriza por desarrollar procesos químicamente sostenibles, mediante la utilización de biocatalizadores y microorganismos seleccionados o modificados genéticamente. Su utilización permite optimizar los procesos productivos, así como disminuir el consumo energético y de materias primas, junto con una menor producción de residuos.
Las principales tendencias tecnológicas incluidas en esta área son la biotransformación, la Bioproducción y la Biotecnología ambiental.
La Biotransformación consiste en la conversión de un compuesto químico o bioquímico en otro (activo) mediante el uso de un catalizador de origen biológico o incluso sintético. En la actualidad ya se utilizan proteasas en los detergentes o lipasas en la síntesis de fármacos, si bien en el futuro se extenderá considerablemente el uso de enzimas en innumerables procesos industriales.
La Bioproducción consiste en la selección o modificación de microorganismos y plantas vegetales para la producción directa de compuestos, tanto intermediarios como productos finales. Así por ejemplo, se producen aminoácidos para piensos animales o ácido poliláctico como material biodegradable mediante el uso de microorganismos, o incluso se está ensayando la producción de fármacos en cultivos agronómicos.
Y por último, la Biotecnología ambiental, que permite el tratamiento y recuperación de suelos, aguas y residuos urbanos e industriales. Entre otras aplicaciones, hoy en día se utilizan microorganismos seleccionados genéticamente para digerir vertidos de petróleo o enzimas para digerir residuos de papeleras industriales, si bien estas aplicaciones son muy recientes.
La Biotecnología Industrial esconde tras de sí, un vasto elenco de tecnologías, incluidas dentro de las tendencias descritas, siendo algunas más prioritarias que otras. En concreto, las tecnologías críticas en la aplicación de la Biotecnología a los sectores químico-industriales son:
• Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.
• Nuevos desarrollos tecnológicos para la inmovilización de enzimas y microorganismos.
• Mejoras tecnológicas en la producción, purificación y estabilización de enzimas de uso industrial.
• Biocatálisis para la producción de productos farmacéuticos.
• Identificación, aislamiento, purificación y expresión de enzimas industriales por tecnologías de alto rendimiento.
• Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción y ensayos funcionales de alto rendimiento.
Por su parte el sector energético español tuvo un valor de producción de más de 41.000 millones de euros, empleando de forma directa e indirecta a más de 300.000 personas. El sector energético es aún más estratégico que el químicoindustrial,
pues de la energía, su producción, distribución y coste de adquisición depende en gran medida el desarrollo económico del país.
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