La industria de la aviación produce el 2 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono inducidas por el hombre. Esta participación puede parecer relativamente pequeña, en perspectiva, La generación de electricidad y la calefacción doméstica representan más del 40 por ciento, pero la aviación es una de las fuentes de gases de efecto invernadero de más rápido crecimiento en el mundo. Se proyecta que la demanda de viajes aéreos se duplicará en los próximos 20 años.

Las aerolíneas están bajo presión para reducir sus emisiones de carbono, y son muy vulnerables a las fluctuaciones de los precios mundiales del petróleo. Estos desafíos han despertado un gran interés en los combustibles para reactores derivados de la biomasa. El biocombustible se puede producir a partir de diversos materiales vegetales, incluidos los cultivos oleaginosos, cultivos de azúcar, plantas con almidón y biomasa lignocelulósica, a través de diversas rutas químicas y biológicas. Sin embargo, las tecnologías para convertir el petróleo en combustible para aviones se encuentran en una etapa de desarrollo más avanzada y producen una mayor eficiencia energética que otras fuentes.

Estamos diseñando caña de azúcar, la planta más productiva del mundo, para producir aceite que pueda convertirse en combustible para bioaviones. En un estudio reciente, Descubrimos que el uso de esta caña de azúcar modificada podría producir más de 2, 500 litros de bio-jet fuel por acre de tierra. En lenguaje sencillo, esto significa que un Boeing 747 podría volar durante 10 horas con combustible bio-jet producido en solo 54 acres de tierra. En comparación con dos fuentes vegetales de la competencia, soja y jatropha, lipidcane produciría entre 15 y 13 veces más combustible para aviones por unidad de tierra, respectivamente.

Creando caña de azúcar de doble propósito

Biocombustibles derivados de materias primas ricas en petróleo, como camelina y algas, han sido probados con éxito en vuelos de prueba de concepto. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales ha aprobado una mezcla 50:50 de combustible para aviones a base de petróleo y combustible para aviones renovable hidroprocesado para vuelos comerciales y militares.

Sin embargo, incluso después de importantes esfuerzos de investigación y comercialización, Los volúmenes actuales de producción de combustible para reactores biológicos son muy pequeños. La fabricación de estos productos a mayor escala requerirá más mejoras tecnológicas y abundantes materias primas de bajo costo (cultivos utilizados para fabricar el combustible).

La caña de azúcar es una fuente de biocombustible bien conocida:Brasil ha estado fermentando jugo de caña de azúcar para producir combustible a base de alcohol durante décadas. El etanol de la caña de azúcar produce un 25 por ciento más de energía que la cantidad utilizada durante el proceso de producción. y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en un 12 por ciento en comparación con los combustibles fósiles.

Nos preguntamos si podríamos aumentar la producción de aceite natural de la planta y usar el aceite para producir biodiesel, lo que proporciona beneficios ambientales aún mayores. El biodiésel produce un 93 por ciento más de energía de la necesaria para producirlo y reduce las emisiones en un 41 por ciento en comparación con los combustibles fósiles. Tanto el etanol como el biodiésel se pueden utilizar en bio-jet fuel, pero las tecnologías para convertir el aceite de origen vegetal en combustible para aviones se encuentran en una etapa avanzada de desarrollo, producen una alta eficiencia energética y están listos para un despliegue a gran escala.

Cuando propusimos por primera vez la ingeniería de la caña de azúcar para producir más aceite, algunos de nuestros colegas pensaron que estábamos locos. Las plantas de caña de azúcar contienen solo un 0,05 por ciento de aceite, que es demasiado poco para convertirlo en biodiesel. Muchos científicos de plantas teorizaron que aumentar la cantidad de aceite al 1 por ciento sería tóxico para la planta, pero nuestros modelos informáticos predijeron que podríamos aumentar la producción de petróleo al 20 por ciento.

Con el apoyo de la Agencia-Energía de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía, lanzamos un proyecto de investigación llamado Plantas diseñadas para reemplazar el aceite en la caña de azúcar y el sorgo, o PETROSS, en 2012. Desde entonces, a través de la ingeniería genética hemos aumentado la producción de aceite y ácidos grasos para lograr un 12 por ciento de aceite en las hojas de la caña de azúcar.

Ahora estamos trabajando para alcanzar el 20 por ciento de aceite:el límite teórico, según nuestros modelos informáticos, y dirigiendo esta acumulación de aceite al tallo de la planta, donde es más accesible que en las hojas. Nuestra investigación preliminar ha demostrado que incluso cuando las plantas de ingeniería producen más aceite, continúan produciendo azúcar. A estas plantas modificadas las llamamos caña de lípidos.

Múltiples productos de lipidcane

Lipidcane ofrece muchas ventajas para los agricultores y el medio ambiente. Calculamos que cultivar caña de lípidos que contenga un 20 por ciento de aceite sería cinco veces más rentable por acre que la soja. la principal materia prima que se utiliza actualmente para fabricar biodiésel en los Estados Unidos, y dos veces más rentable por acre que el maíz.

Para ser sostenible El biocombustible también debe ser económico de procesar y tener altos rendimientos de producción que minimicen el uso de la tierra cultivable. Estimamos que en comparación con la soja, La caña de lípidos que contiene un 5 por ciento de aceite podría producir cuatro veces más combustible para aviones por acre de tierra. La caña de lípidos con un 20 por ciento de aceite podría producir más de 15 veces más combustible para aviones por acre.

Y lipidcane ofrece otros beneficios energéticos. Las partes de la planta que quedan después de la extracción del jugo, conocido como bagazo, se puede quemar para producir vapor y electricidad. Según nuestro análisis, esto generaría electricidad más que suficiente para alimentar la biorrefinería, para que el excedente de energía se pueda vender de nuevo a la red, desplazar la electricidad producida a partir de combustibles fósiles, una práctica que ya se utiliza en algunas plantas de Brasil para producir etanol a partir de la caña de azúcar.

Un potencial cultivo bioenergético de EE. UU.

La caña de azúcar prospera en tierras marginales que no son adecuadas para muchos cultivos alimentarios. Actualmente se cultiva principalmente en Brasil, India y China. También estamos diseñando lipidcane para que sea más tolerante al frío para que pueda criarse más ampliamente. particularmente en el sureste de los Estados Unidos en tierras subutilizadas.

Si dedicamos 23 millones de acres en el sureste de los Estados Unidos a la caña de lípidos con un 20 por ciento de aceite, estimamos que esta cosecha podría producir el 65 por ciento del suministro de combustible para aviones de EE. UU. Ahora, en dólares corrientes, que el combustible le costaría a las aerolíneas US $ 5,31 por galón, que es menor que el bio-combustible producido a partir de algas u otros cultivos oleaginosos como la soja, aceite de canola o palma.

La lipidcane también podría cultivarse en Brasil y otras áreas tropicales. Como informamos recientemente en Nature Climate Change, La expansión significativa de la producción de caña de azúcar o caña de lípidos en Brasil podría reducir las emisiones mundiales actuales de dióxido de carbono hasta en un 5,6 por ciento. Esto podría lograrse sin afectar las áreas que el gobierno brasileño ha designado como ambientalmente sensibles, como la selva tropical.

En busca de la 'caña de energía'

Nuestra investigación sobre la caña de lípidos también incluye la ingeniería genética de la planta para que realice la fotosíntesis de manera más eficiente. lo que se traduce en un mayor crecimiento. En un artículo de 2016 en Science, uno de nosotros (Stephen Long) y colegas de otras instituciones demostraron que la mejora de la eficiencia de la fotosíntesis en el lípidocane aumentaba su crecimiento en un 20 por ciento. Las investigaciones preliminares y las pruebas de campo paralelas sugieren que hemos mejorado la eficiencia fotosintética de la caña de azúcar en un 20 por ciento. y en casi un 70 por ciento en condiciones frescas.

Ahora nuestro equipo está comenzando a trabajar para diseñar una variedad de caña de azúcar de mayor rendimiento que llamamos "caña de energía" para lograr una mayor producción de petróleo por acre. Tenemos más terreno por recorrer antes de que pueda comercializarse, pero el desarrollo de una planta viable con suficiente aceite para producir económicamente biodiesel y bio-jet fuel es un primer paso importante.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.