Residuos de plátano fermentado son fuente de hidrógeno y energía sostenible

Los combustibles fósiles, como el petróleo, siguen siendo la principal fuente de energía y también de contaminación en el planeta. Su uso intensivo elevó las concentraciones de dióxido de carbono —el gas más asociado con la actividad humana— hasta un récord de 422,5 partículas por millón, panorama que ha acelerado la búsqueda de alternativas limpias y viables. En esa ruta surge un aporte innovador: una investigadora demostró que los residuos de plátano fermentado se convertirían en una fuente eficiente para producir biohidrógeno, uno de los sustitutos más prometedores de los combustibles tradicionales.

El biohidrógeno resulta de producir hidrógeno con materiales orgánicos o mediante procesos naturales como la fermentación, una alternativa limpia y renovable frente a los combustibles fósiles, y con aplicaciones para fomentar una movilidad sostenible o para generar electricidad limpia. Frente a esto, la Asociación de Hidrógeno y el Consejo Mundial de Energía Colombia destacan que la capacidad de producción de hidrógeno renovable en el país es de 416 toneladas por año.

Con 492.000 hectáreas cultivadas y cerca de 4,9 millones de toneladas al año, el plátano es uno de los productos más importantes del país. Una manera de impulsar estas cifras es aprovechar los residuos del plátano con un enfoque de economía circular, es decir, darles un nuevo uso a materiales que normalmente se desechan para convertirlos en valor y reducir el impacto ambiental.

En ese escenario, Jenny Paola Díaz, magíster en Ciencia y Tecnología de Alimentos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), comprobó que mediante un proceso de fermentación la pulpa y la cáscara se pueden transformar en hidrógeno natural y de bajo costo.

Esta alternativa pionera en Colombia fortalecería los modelos sostenibles de producción de hidrógeno, pues hoy el 76 % del generado en el país sigue siendo gris, obtenido a partir de gas natural y con alta huella contaminante, mientras un 20 % es azul, también producido con combustibles fósiles pero con captura parcial de sus emisiones, y apenas un 4 % corresponde al hidrógeno verde, obtenido por electrólisis (proceso que mediante electricidad separa las moléculas del agua) y considerado como la opción más limpia.

Frente a estas rutas tradicionales, el método evaluado por la investigadora Díaz parte de fuentes biológicas renovables, lo que abre la puerta a un hidrógeno con huella de carbono neutra, e incluso negativa, incorporando la captura y valorización de los demás residuos del proceso.

De pilar económico a fuente de energía

“La base del proyecto fue la fermentación oscura, un proceso biológico en el que los microorganismos descomponen los azúcares de la fruta y los transforman en compuestos metabólicos como ácidos butírico y acético e hidrógeno, y por último también liberan hidrógeno”, explica la magíster.

Uno de los mayores desafíos en la producción de biohidrógeno es el rendimiento. Para enfrentarlo, a la materia prima se le incorporó un pretratamiento con el fin de degradar componentes como la lignina y así facilitar el trabajo de los microorganismos encargados de generar el hidrógeno.

Sin embargo, este pretratamiento no siempre incrementó la producción, lo que es relevante porque sugiere que los residuos de plátano de Arauca son eficientes por sí solos para llevar a cabo la fermentación. “Evidenciamos que a partir de este residuo se produce hidrógeno, aunque el pretratamiento no siempre aporta a una mayor producción”, afirma la investigadora.

Por ello el proceso se continuó en biorreactores de 20 litros, con un volumen de trabajo de 12 litros, de los cuales 3 kilos correspondían a la fruta y cerca de 9 litros al agua. Durante 72 horas estos ingredientes permanecieron en condiciones estrictamente controladas: ausencia de luz y oxígeno, sin agitación y a temperatura estable.

Posteriormente, durante 4 días más se establecieron las condiciones de acidez (pH), temperatura y agitación para iniciar la etapa de producción del hidrógeno, generando un gas con un contenido máximo de 41,9 % de hidrógeno. El rendimiento fue de 1,16 moles, unidad que determina la cantidad de hidrógeno por mol de azúcar.

Así, el biohidrógeno generado tiene una aplicabilidad directa, hecho que se evidenció cuando, al final de la etapa de producción, se pudo hacer combustión y apareció una llama azul característica, demostrando que la mezcla gaseosa es capaz de liberar energía de inmediato.

Y aunque el gas se puede purificar después para obtener hidrógeno de mayor pureza, el hecho de que la mezcla inicial ya sea combustible amplía su potencial para usos directos en campo, por ejemplo para generar calor o electricidad de forma local, continua y sostenible.

Una alternativa económica viable

Una de las principales ventajas de la fermentación oscura es su viabilidad económica: utiliza residuos agroindustriales y requiere equipos mucho más asequibles que el método convencional de electrólisis, que demanda alta inversión y un consumo elevado de energía eléctrica. Además, el 38 % del residuo del plátano queda sin aprovechar tras la cosecha, lo que representa una oportunidad real para transformarlo en energía y reducir un problema ambiental recurrente en zonas productoras.

En departamentos como Arauca, en donde la alta producción ha generado la acumulación de grandes volúmenes de desechos y riesgos para el ambiente y la salud pública, este tipo de bioconversión es especialmente pertinente. De hecho, el uso de estos residuos no solo mitigaría dicho problema, sino que además se integraría a los sistemas locales de energía como alternativa renovable, particularmente en zonas rurales no interconectadas, en donde el biohidrógeno impactaría directamente en la autonomía energética de las comunidades.

Así, este método de producción se podría implementar directamente en campo, allí donde se concentra la actividad platanera, democratizando la generación de energía limpia, fomentando la economía circular y fortaleciendo la autosuficiencia energética en regiones productoras como Arauca, que supera las 36.000 hectáreas sembradas según el Instituto Colombiano Agropecuario.

Cafeína sería útil para obtener combustibles menos contaminantes

 Por norma, los combustibles como la gasolina y el diésel deben pasar por un proceso que reduce la cantidad de compuestos azufrados (desulfuración) para que sean menos contaminantes y se puedan comercializar. Como estos procesos son costosos y peligrosos por utilizar compuestos tóxicos, una ingeniera química de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) desarrolló y puso a prueba dos compuestos alternativos obtenidos a partir de la cafeína –que es más económica y fácil de manipular–, los cuales alcanzaron porcentajes prometedores de desulfuración.

La desulfuración se realiza con el fin de que cuando se dé la combustión –es decir cuando los carros, aviones y otras máquinas están funcionando– estos compuestos azufrados no se conviertan en dióxido de azufre, un gas dañino para el medioambiente y la salud, entre otras cosas porque puede desencadenar una lluvia ácida.

“Actualmente existen leyes que regulan que las cantidades mínimas sean de 10 partes por millón (ppm), y aunque también hay métodos tradicionales para lograrlo, estos utilizan compuestos muy tóxicos, son procesos costosos e implican un gran gasto de energía”, explica la ingeniera química Laura Sofía Benavides Maya, estudiante de la Maestría en Ingeniería - Materiales y Procesos de la UNAL Sede Medellín.

Por eso se propuso buscar una alternativa a partir de la creación y el uso de líquidos iónicos y solventes eutécticos profundos, que hacen más sostenible el proceso de desulfuración. “Los líquidos iónicos son sales orgánicas o inorgánicas, compuestas por cationes y aniones (cargas positivas y negativas), con puntos de fusión por debajo de los 100 ºC, lo que ayuda a que se gaste menos energía en calentamientos, entre otras cosas”, continúa.

Así mismo, tienen baja toxicidad, capacidad de regenerarse y son fáciles de preparar porque no requieren etapas de purificación. “Por otro lado, los solventes eutécticos profundos son mezclas que aceptan y donan enlaces de hidrógeno, de manera que al combinar porciones específicas reducen su punto de fusión y dan paso a un líquido con propiedades similares a los líquidos iónicos”.

De un proceso costoso a uno económico

En la actualidad ya se han desarrollado líquidos iónicos a partir de imidazol, un compuesto orgánico que contiene carbono, nitrógeno e hidrógeno, y que aún así suele ser muy costoso (alrededor de 452 dólares por kilogramo), lo que ha limitado su aplicación a gran escala. “De ahí el interés por utilizar cafeína (que ronda los 131 dólares por kilogramo), un compuesto de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno que contiene en su estructura un anillo de imidazol”.

Así pues, la investigadora Benavides, con la asesoría de la profesora Luz Marina Ocampo Carmona, directora del grupo de investigación Ciencia y Tecnología de Materiales, de la Facultad de Minas de la UNAL Sede Medellín, utilizó cafeína comercial para obtener los líquidos iónicos de interés. “Primero hicimos que reaccionara con cloruro de hidrógeno anhidro (sin agua) en una atmósfera inerte, con el fin de convertirla en una sal de amonio cuaternario”.

Así se obtuvo clorhidrato de cafeína, el cual se caracterizó mediante técnicas como espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. “Buscábamos comprobar que en ese clorhidrato se había formado el enlace nitrógeno-hidrógeno en el anillo de imidazol”, agrega.

Posteriormente agregó tricloruro de hierro –en dos cantidades diferentes– con el fin de obtener un líquido iónico con viscosidad manejable. “Por otro lado, sintetizamos dos solventes eutécticos profundos utilizando etilenglicol (donante de enlaces de hidrógeno) y los pusimos a prueba, al igual que los líquidos iónicos, en la desulfuración de un combustible modelo, es decir creado en laboratorio”.

De este modo evidenció que con el líquido iónico se lograba un porcentaje máximo de desulfuración del 12,9 % mientras con el solvente eutéctico profundo hasta un 17,4 %. “Aunque son resultados prometedores, vimos que los anillos aromáticos de azufre son débiles como aceptores de puentes de hidrógeno, lo que se podría reflejar en los bajos índices de desulfuración”, agrega.

Este análisis es el punto de partida de otras investigaciones que busquen mejorar los procesos de desulfuración actuales. “Dichos aspectos se pueden mejorar aplicando más etapas de extracción en el proceso; reciclando los líquidos iónicos y los solventes eutécticos; evaluando tiempos más prolongados; y considerando otros aniones para la síntesis, por ejemplo”.

La investigación está enmarcada en el proyecto “Desarrollo de líquidos iónicos a base de cafeína para la desulfuración de combustibles”, código Hermes 54126. La profesora Ocampo menciona que “a futuro esperamos consolidar análisis que lleven a cabo un proceso similar, pero obteniendo la cafeína de residuos de café, lo que haría aún más sostenible la actividad”.

Combustible y plásticos sin petróleo y menos contaminantes gracias a las bacterias “eléctricas”

 Reemplazar el petróleo en la fabricación de materiales como el plástico es una urgencia por la contaminación ambiental que genera su producción todos los días; por esta razón, un grupo de investigadores aprovechó el potencial de bacterias de suelos de cultivos como el tomate para producir un compuesto llamado 1,3-propanodiol (usado en la industria farmacéutica, cosmética, de plásticos, textil y de alfombras), y potenciaron su capacidad hasta en un 7 % gracias al envío de electricidad a estos microorganismos.

Las bacterias forman parte de la cadena de reciclaje en la naturaleza; esto quiere decir que se alimentan de residuos que encuentran en el suelo –como papa, tomate o arroz, entre otros alimentos– y pueden transformar estos restos en sustancias útiles con mayor valor agregado para que los productores de industrias –como la agrícola o de combustibles– más “naturales” (biocombustibles) puedan tener mayores ingresos.

Según la Federación Nacional de Biocombustibles de Colombia, en 2026 la demanda mundial de estos combustibles aumentará en un 28 %, lo cual equivaldría a una producción de 41.000 millones de litros, y la meta para 2021 era reducir cerca de 3,2 millones de toneladas de dióxido de carbono.

Hoy los compuestos como el 1,3-propanodiol se obtienen a partir de sustancias como el petróleo, pero parece haber una alternativa, que tiene un protagonista muy abundante y que no representa altos costos para la industria: el glicerol crudo, un compuesto que se genera en grandes cantidades cuando se está produciendo biodiesel, un combustible menos contaminante y sostenible; sin embargo este gran potencial no se aprovecha, y en cambio sus residuos sí terminan representando un riesgo para el medioambiente al ser vertidos o desechados.

Por lo anterior, el ingeniero químico Óscar Aragón Caycedo, doctor en Biotecnología de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), evaluó cómo las bacterias de la especie Clostridium butyricum podrían utilizar el glicerol crudo para mejorar la producción de 1,3-propanodiol. Para ello utilizó electricidad como una forma de enviarles señales y corriente eléctrica a estos microorganismos, ya que se evidenció que cuando se enfrentan a esta situación empiezan a producir el compuesto deseado, pues de no hacerlo no pueden seguir creciendo.

Según el investigador, esto se da porque las bacterias tienen una serie de rutas celulares en las que interactúan los electrones que se envían desde la corriente eléctrica, y que, de no ser por el 1,3-propanodiol, no podrían seguir con su funcionamiento normal, lo que quiere decir que es un “salvavidas” de doble vía: tanto para las bacterias como para el medioambiente.

“Se encontró que esta cepa de Clostridium, que de hecho está presente en suelos de cultivos agrícolas a lo largo del país, puede mejorar esta producción hasta en un 7 %, lo que representaría un incremento para la producción en una industria que se espera valga cerca de 600 millones de dólares en los próximos años”, asegura el doctor Aragón.

El primer paso fue simular computacionalmente el efecto que tendría esta bacteria con la corriente eléctrica, que, como se dijo antes, es un puente de comunicación para que el microorganismo se comporte de la manera deseada. Esto se realizó gracias a modelos matemáticos que permitieron identificar si había un efecto en las rutas celulares que hacen que se produzca el 1,3-propanodiol.

Cómo explica el ingeniero Aragón, esta investigación involucró el análisis de 13 cepas nativas aisladas de suelos colombianos, que han sido estudiadas y caracterizadas por más de 15 años en el grupo de Bioprocesos y Bioprospección con la dirección de la profesora Dolly Montoya Castaño, rectora de la UNAL, y el profesor Gustavo Buitrago, fundadores del Instituto de Biotecnología de la Universidad.

Los microorganismos se tienen almacenados y vienen de distintas partes del país, lo cual también resulta promisorio y más sencillo para la industria biotecnológica, pues son bacterias que están presentes en los suelos de cada región del país.

A partir de los resultados de la simulación computacional se dio paso a probar este análisis en cultivos de dos de las cepas nativas que al parecer podían mejorar la producción.

“Se hicieron dos ensayos, uno en el que se ponía un reactor con dos electrodos (conductores eléctricos) tanto positivo como negativo, para ver cómo interactuaban en las bacterias; y por otro lado uno en el que se separaban estos electrodos para ver específicamente cómo los electrones, que son partículas con carga negativa, tenían un efecto en el microorganismo”, indica el investigador.

El segundo ensayo permitió que los niveles de producción del compuesto 1,3-propanodiol fueran mayores y más eficientes, y el experto asegura que el porcentaje de incremento de rendimiento obtenido (7 %) alcanzaría hasta un 10 o 12 % con mejoras en el diseño de los reactores y los microorganismos en investigaciones futuras.