Con la inminente amenaza de una crisis climática sobre nuestras cabezas, se ha vuelto crucial el desarrollar alternativas eficientes a los combustibles fósiles. Una opción es utilizar fuentes limpias de combustibles llamados biocombustibles, que pueden ser producidos a partir de fuentes naturales como la biomasa. La celulosa polimérica de origen vegetal es la forma más abundante de biomasa a nivel mundial y puede ser convertida en materias primas como la glucosa y la xilosa para la producción de bioetanol. Pero este proceso es difícil debido a la estructura rígida y densa de la moléculas, que la hace insoluble en el agua. Los químicos y biotecnólogos de todo el mundo han utilizado técnicas convencionales como la radiación de microondas, la hidrólisis y la ultrasonicación para degradar este polímero, pero estos procesos requieren condiciones extremas, y por lo tanto, son insostenibles.
Con este fin, un nuevo estudio publicado en Energy & Fuels, elaborado por un equipo de investigación japonés, ha desarrollado una novedosa técnica para la degradación de la celulosa. Esta técnica se base en un tipo de láser llamado “Láser de Electrones Libres de Infrarrojos (IR-FEL)», cuya longitud de onda es sintonizable en el rango de los 3 a los 20 μm, consiguiendo la degradación de la celulosa con cero emisiones.
«Una de las características únicas del IR-FEL es que puede inducir una absorción multifotóncia de una molécula y puede modificar la estructura de una sustancia. Hasta ahora, esta tecnología se ha utilizado en los campos básicos de la física, la química y la medicina, pero queríamos utilizarla para impulsar los avances en la tecnología medioambiental», explica el Dr, Takayasu Kawasaki de la Universidad de Ciencias de Tokio y uno de los autores del estudio.
Los científicos sabían que el IR-FEL podía utilizarse para realizar reacciones de disociación en varias biomoléculas. La celulosa es un biopolímero compuesto por moléculas de carbono, oxígeno e hidrógeno, que forman enlaces covalentes de longitudes y ángulos variables entre sí. El polímero tiene tres bandas infrarrojas en las longitudes de onda de 9,1, 7,2 y 3,5 μm, que corresponden a tres enlaces diferentes. Basándose en esto, los científicos irradiaron celulosa en polvo sintonizando la longitud de onda del IR-FEL a estas tres longitudes de onda. A continuación, analizaron los productos utilizando técnicas como la espectrometría de masas de ionización por electroerosión y la microscopía infrarroja de radiación sincrotrón, que revelaron que las moléculas de celulosa se habían descompuesto con éxito en glucosa y celobiosa (moléculas precursoras para la producción de bioetanol). No sólo esto, sus productos se obtuvieron con altos rendimientos, haciendo este proceso extremadamente eficiente.
«Se trata del primer método en todo el mundo para obtener eficientemente la glucosa de la celulosa mediante el uso de un láser IR-FEL. Debido a que este método no requiere condiciones de reacción duras como solventes orgánicos dañinos, alta temperatura y alta presión, es superior a otros métodos convencionales», dice Kawasaki.
Además de generar biocombustibles, la celulosa tiene varias aplicaciones, por ejemplo, como biomateriales funcionales en membranas celulares biocompatibles, hojas antibacterianas y materiales de papel híbrido. Por lo tanto, el nuevo método desarrollado en este estudio es prometedor para varias industrias, como la de la salud, la tecnología y la ingeniería. Además, el Dr. Kawasaki es optimista en cuanto a que su método es útil para procesar no sólo la celulosa sino también otros constituyentes de la madera y puede resultar un método innovador para reciclar la biomasa forestal. «Esperamos que este estudio contribuya al desarrollo de una sociedad libre de petróleo», concluye Kawasaki.
