Investigación y tecnología 7






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Plataforma Tecnológica Española de Química Sostenible Agenda de Investigación Estratégica

Subplataforma de Biotecnología Industrial (borrador)



Desarrollo de una Agenda de Investigación Estratégica (AIE) para la Biotecnología Industrial

Traducción del borrador (13/06/2005) elaborado por la Subplataforma de Biotecnología Industrial de la Plataforma Tecnológica Europea de Química Sostenible
Índice:


  1. Introducción 2

  2. La Biotecnología Industrial Europea: una visión para el 2025 2

  3. El impacto global del mercado de la biotecnología blanca: El impacto en la economía 4

  4. La cadena de valor de la biotecnología industrial 6

  5. Objetivos fundamentales de la investigación en biotecnología industrial y áreas importantes de

investigación y tecnología 7

  1. Las principales áreas de investigación y tecnología - análisis detallado 8

    1. La importancia de las diferentes áreas tecnológicas 8

    2. Análisis detallado por área tecnológica 11

      1. Enzimas y microorganismos novedosos 11

      2. Genómica microbiana y bioinformática 13

      3. Ingeniería y modelado metabólicos 15

      4. Fucionamiento y optimización de biocatalizadores 17

      5. Diseño de procesos biocatalíticos 18

      6. Ciencia e ingeniería innovadoras de fermentaciones 20

      7. Procesamiento post-producción (down-stream) innovador 21

  2. Demostraciones y proyectos principales propuestos 23

    1. Biomateriales de altas prestaciones y nanocomposites 23

    2. Biorrefinerías integradas 27

    3. Producción de productos químicos en masa 28

    4. Enzimas oxidativas como biocatalizadores industriales para química fina y en masa 29

    5. Microorganismos mínimos y artificiales – biología sintética 30

  3. Acciones adicionales 30

Anexo: Aportación para las secciones de Biotecnología Industrial y Tecnología de Materiales de la

Agenda de Investigación Estratégica 32
1. Introducción
La Biotecnología Industrial, también conocida como biotecnología blanca, es el moderno uso y aplicación de la biotecnología para la producción y procesado sostenibles de combustibles, materiales y productos químicos. Se utilizan enzimas y microorganismos para fabricar productos en sectores tales como el químico, agroalimentario, papelero, textil y energético.
Nos hemos beneficiado de la biotecnología desde hace tiempo, pero con el avance de las nuevas tecnologías y con un mayor entendimiento del metabolismo celular y ciencias de materiales, han emergido y han sido identificadas nuevas oportunidades. Un interés renovado en soluciones sostenibles a procesos industriales ha contribuido a su reciente popularidad. La biotecnología blanca moderna es, por tanto, una disciplina relativamente nueva, con áreas importantes de conocimiento todavía sin explorar. Esto presenta un obstáculo de cara a una mayor explotación, pero a su vez ofrece una tremenda oportunidad para futuras investigaciones. Como un primer paso para incrementar el uso industrial de las ciencias biológicas, se necesita una agenda estratégica que cubra ambas, es decir, la ciencia básica y aplicada. Ambas son esenciales; la ciencia básica para el desarrollo de la base de conocimiento fundamental y la ciencia aplicada para usar este conocimiento con el fin de introducir productos y procesos innovadores.
La Biotecnología industrial es por naturaleza una área multidisciplinaria, que comprende la biología, microbiología, bioquímica, biotecnología molecular, química, ingeniería, etc. Esto puede suponer una fortaleza, ya que combinando el conocimiento de especialidades científicas diferentes se pueden crea sinergias inesperada. Sin embargo, también puede ser una debilidad si varias disciplinas permanecen fragmentadas e inconexas. Son por lo tanto esenciales, buenos contactos y buena coordinación, incluyendo la formación de equipos multidisciplinares, si la biotecnología industrial quiere convertirse en un impulsor de la innovación y sostenibilidad en Europa.
2. La Biotecnología Industrial Europea: una visión para el 2025
Europa se enfrenta a una seria de oportunidades y retos claves. Se ha dado un crecimiento económico continuo para el beneficio del viejo bloque de los 15 estados miembros, más importante incluso por la necesidad de integrar a los diez nuevos estados y llevar a sus ciudadanos a unos estándares de vida hasta la media de la Europa del Oeste. Este objetivo puede sólo alcanzarse mediante el uso de la estrategia del nuevo “Conocimiento para crecer” de la Comisión Europea: para cambiar rápidamente a una sociedad basada en el conocimiento en la que el saber es usado para lograr un crecimiento económico e incrementar la competitividad de la Industria Europea. Esto debería ocurrir respetando el medioambiente y asegurando un desarrollo sostenible para la sociedad europea. La biotecnología industrial puede proporcionar: un crecimiento económico sin precedentes basado en la innovación y una tecnología benigna medioambientalmente hablando. Por estas razones, tiene que haber una transición de una sociedad basada en el uso de recursos fósiles a una de mayor sostenibilidad, donde los recursos renovables contribuyan a las necesidades materiales y energéticas. La biotecnología industrial es una tecnología clave que puede hacer esto posible. El desarrollo y uso de la biotecnología industrial es esencial para la competitividad futura de la industria europea y proporciona una base tecnológica para la sociedad sostenible del futuro.
En nuestra visión, Europa habrá progresado sustancialmente hacia una bio-sociedad para el 2025. En particular, la industria química europea considerará la biotecnología como parte esencial de su proceso de desarrollo, lo que aumentará su competencia y competitividad técnica. Para el 2025, se producirá un incremento del número de materiales y productos químicos usando la biotecnología en alguno de sus pasos de procesamiento. Los procesos de biotecnología son usados para producir materiales y productos químicos, de otra forma no accesibles por medios convencionales, o productos ya existentes de forma más eficiente.
La biotecnología será también usada para la conversión de las materias primas agrícolas en una variedad de productos químicos, bioplásticos, biocombustibles, medicamentos, etc. Al mismo tiempo, estos procesos biológicos supondrán unas reducciones de costes significativas, menos residuos y menor uso de energía, y una mayor reducción en nuestra dependencia de importaciones de materias primas petroquímicas cada vez más caras. En otras palabras, la biotecnología permitirá un uso ecológico eficiente y creciente de recursos renovables como materias primas para la industria. En el futuro, y en especial para usos no alimentarios, la Biotecnología Verde podría hacer una contribución sustancial en la producción eficiente de materias primas agrícolas tales como los cereales, que a diferencia del petróleo, se han vuelto más baratos como consecuencia del incremento de los rendimientos en la agricultura.
El cambio de materias primas y tecnologías de proceso también cambiará nuestro paisaje industrial. La biorrefinerías rurales reemplazarán a las refinerías portuarias de petróleo siempre que sea económicamente factible. Estas fábricas del futuro integrarán la agricultura y una parte de la industria química, convirtiendo la biomasa en una serie de productos de valor añadido. La integración puede incluso progresar hasta el punto de que las biorefinerías produzcan alimentos, productos (bio)químicos y energía a partir de una sola materia prima. La agricultura por su parte será apoyada y la economía rural desarrollada. La agricultura europea dependerá menos de ayudas, y un tercio de su producción será usado en aplicaciones no alimentarias.
La seguridad industrial mejorará: la biotecnología industrial permitirá a una serie de industrias manufacturar productos de una forma económica y medioambientalmente sostenible.

Por último pero no menos importante, la UE depende mucho del petróleo y gas importado para la generación de energía. Tal y como experimentos recientes han demostrado, el precio de ambos puede ser muy volátil, y a largo plazo sólo puede incrementarse, según sigue creciendo la demanda de las limitadas cantidades de recursos fósiles que pueden ser extraídas de un modo económicamente rentable. Los biocombustibles constituirán un creciente porcentaje del combustible de los coches, y los recursos renovables serán usados para generar una cantidad creciente de electricidad “verde”. Para el año 2025 la energía derivada de la biomasa, basada en biotecnología, se espera que cubra un cantidad creciente de nuestro consumo energético.
En 2025, la industria manufacturera será todavía el fundamento de una economía europea dinámica y próspera. La industria se habrá convertido en más competitiva globalmente mientras reduce su impacto medioambiental. La sociedad europea habrá progresado significativamente hacia una sostenibilidad a largo plazo, a la vez que reduce fuertemente su dependencia en recursos fósiles. La industria europea será innovadora y competitiva, con una cooperación y apoyo sostenidos entre la comunidad científica, industria, agricultura y sociedad civil.
Esta visión sólo se hará realidad haciendo posible un apropiado ámbito económico y político que estimule la investigación e innovación, al empresariado, la aprobación del producto y el desarrollo del mercado. Este respaldo ayudará a las industrias a producir productos eco-eficientes - cuando sea factible económicamente - y a beneficiarse del gran potencial que la biotecnología blanca ofrece a la industria Europea.
En marcado contraste con esta positiva perspectiva, si Europa no se compromete a desarrollar esta nueva tecnología, nuestros actuales socios comerciales principales y las economías de desarrollo emergentes tales como China seguirán adelante con inversiones en biotecnología industrial. Competirán con Europa, cuya economía se estancará gradualmente, en detrimento de la prosperidad y calidad de vida de sus ciudadanos. Las aspiraciones de la agenda de Lisboa serán de una retórica vacía.

3. El impacto global del mercado de la biotecnología blanca: El impacto en la economía
Una estimación de McKinsey & Company1 (ver próxima figura) muestra que la biotecnología puede ser aplicada en la producción del 10 al 20% de todos los productos químicos vendidos para el año 2010. Esta estimación está basada en el análisis de la tecnología y de las tendencias de mercado así como en el inventario de las actuales actividades de I+D. La cuota de mercado fue calculada de abajo a arriba mediante estimaciones del potencial de las aplicaciones de la tecnología blanca entre los productos químicos y los grupos de producto clave.
Empezando por la industria química, la biotecnología blanca hará incursiones en un número de otras industrias. Por ejemplo, las enzimas transformarán los procesos de producción en la industria del papel, y nuevos polímeros encontrarán múltiples aplicaciones en las industrias de automoción y de bienes de consumo.



Diferentes mercados químicos introducen y usan la biotecnología a niveles diferentes. El estudio muestra que el impacto más grande de la biotecnología blanca puede estar en el segmento de productos químicos finos, donde hasta un 60% de los productos pueden usar la biotecnología hacia el 2010. Un motor clave aquí es el crecimiento de los productos farmacéutocos biológicos tales como los anticuerpos para el tratamiento del cáncer - drogas para las que no existe síntesis química tradicional. El impacto en el segmento de las especialidades químicas variará enormemente. Por ejemplo, las enzimas y las fermentaciones ya están siendo usados en la producción de aromas y fragancias, mientras que otros mercados pueden estar todavía dominados por la química tradicional hasta después del 2010.
Las primeras aplicaciones de la biotecnología blanca en los segmentos de mayor volumen - polímeros y productos químicos a granel - han sido comercializadas. Sin embargo, en estos segmentos determinados avances tecnológicos y medidas de políticas determinará la última adopción de la biotecnología blanca.
Como puede verse en la figura siguiente, la biotecnología blanca será clave para la competitividad de muchas de las industrias europeas que ya están usando procesos biotecnológicos, incluyendo productos químicos, productos textiles y de piel, alimentación animal, papel, energía, metales y minerales, así como el procesado de residuos. Las estimaciones de McKinsey muestran que la industria química en solitario podría generar un valor añadido adicional de hasta 11 a 22 mil millones de Euros por año para el 2010, dependiendo de si la adopción es rápida o lenta. Dos fuentes contribuirán a esto. Una es los menores costos de las materias primas y del procesado, combinado con inversión de menor escala en las plantas de fermentación. La otra es los ingresos adicionales de productos innovadores, nuevos o de elevadas prestaciones.



4. La cadena de valor de la biotecnología industrial
Actualmente, se pueden distinguir dos tipos de materias primas en la cadena de valor de la biotecnología industrial para la producción de combustibles, productos químicos en masa, materiales y especialidades químicas. Las materias primas fósiles se suelen usar para la bioproducción de ciertos compuestos por enzimas y/o microorganismos. Estos tipos de conversiones están típicamente limitados a bioespecialidades, tales como los productos químicos finos, y por tanto, se realizan a una relativamente pequeña escala en comparación con los procesos biotecnológicos industriales que usan materias primas renovables. Actualmente, el uso de materias primas renovables, tales como los productos y subproductos agrícolas, está ganando importancia como material inicial para nuestra futura cartera de productos. Los materiales agrícolas, entre los que se incluyen la (ligno) celulosa o el almidón, se convierten primero en azúcares, los cuales son posteriormente transformados en una amplia variedad de productos vía fermentación. También los residuos orgánicos agrícolas podrían ser valorizados de este modo. Para lograr esto, diferentes disciplinas científicas, incluyendo la bioquímica, microbiología, genómica, proteómica, bioinformática e ingeniería de procesos son reunidas bajo el paraguas de la biotecnología blanca.
La base de cualquier proceso biotecnológico (bioprocesos) es el uso de enzimas o células enteras, principalmente microorganismos. La modificación genética, también conocida como tecnología de ADN recombinante, permite hacer microorganismo a medida que den mayor rendimiento de productos químico concretos, o incluso producir productos nuevos si los genes son transferidos desde otros organismos. El incremento de la eficiencia de la reacción permite un mayor ámbito para reemplazar los proceso convencionales establecidos por otro más limpio, la fermentación a más baja temperatura, en un ambiente aislado seguro. La naturaleza altamente especifica de las enzimas significa que los productos químicos pueden producirse en una forma más pura, y que los procesos biológicos no sólo requieren menores aportaciones de productos químicos, sino que también producen flujos de residuos menores y más manejables.



5. Objetivos fundamentales de la investigación en biotecnología industrial y áreas importantes de investigación y tecnología
Desde una perspectiva de negocio los objetivos principales para I+D en la biotecnología industrial son:



  • El descubrimiento y optimización de cepas y biocatalizadores

  • El desarrollo y producción de productos y procesos nuevos e innovadores de una manera eficiente desde los puntos de vista del coste y de la ecología

  • Hacer uso de materia primas renovables como fuentes adicionales



En general, la mayoría de los procesos biotecnológicos industriales desarrollados hasta la fecha usan la forma biocatalítica más efectiva y conveniente, que es un microorganismo completo. Sin embargo, esto no excluye el uso de organismos superiores, en particular, cultivos de células vegetales, animales y humanas, o el uso de enzimas aisladas, ya que estas últimas pueden ser fácilmente combinadas con por ejemplo catalizadores químicos. En todos los casos, el factor principal es la producción eficiente atendiendo al coste y a los aspectos ecológicos de los compuestos deseados mediante:


  • el desarrollo del mejor catalizador biológico para una función o proceso específico,

  • la creación del mejor ambiente posible para la catálisis a realizar,

  • la separación, purificación y posterior conversión química de los productos deseados a partir del proceso de fermentación.


El primer aspecto tiene que ver con la búsqueda del mejor biocatalizador posible, con funcionalidades mejoradas o totalmente nuevas.
Otra parte importante de la biotecnología blanca tiene que ver con el sistema de contención o bioreactor en el que debe funcionar el catalizador. Aquí el conocimiento combinado del científico y del ingeniero de bioprocesos interaccionan, proporcionando el diseño y la instrumentación para el mantenimiento y control del ambiente físico-químico, tal como la temperatura, aireación, pH, etc., permitiendo la expresión optima de las propiedades biológicas del catalizador.
El tercer aspecto, el procesamiento post-producción (downstream) puede ser un procedimiento técnicamente difícil y caro. El procesamiento post-producción está primeramente relacionado con la separación inicial del medio del bioreactor en una fase líquida y una fase sólido, y la consiguiente separación., concentración y purificación del producto. Además ello incluye la posterior conversión química del producto de fermentación para conseguir el compuesto final deseado. Los principios de la ingeniería química juegan también aquí un papel fundamental en términos del diseño y operación de los sistemas de separación. Mejoras en el procesamiento post-producción beneficiarán la eficiencia general y el coste de los procesos y hará los procesos basados en biotecnología competitivos frente a los procesos químicos convencionales.
Como resultado de las reflexiones con las principales partes interesadas, 7 áreas principales fueron identificadas:


  • Nuevos enzimas y microorganismos

  • Genómica microbiana y bioinformática

  • Ingeniería i modelado metabólicos

  • Funcionamiento y optimización de biocatalizadores

  • Diseño de procesos biocatalíticos

  • Ciencia e ingeniería de fermentación innovadoras

  • Procesamiento post-producción innovador


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