Producció enzimàtica d'alcohol i aprofitament de la biomassa.

La biomassa és la massa generada pel creixement dels organismes vius, ja siguin microorganismes, plantes o animals, i és el resultat de la bioconversió per fotosíntesi de l'energia solar. La biomassa primària es produeix per conversió directa d'energia solar en energia química i està formada pels boscos, selves, algues, agricultura, ... La biomassa secundària i terciària és la biomassa residual que resta després de la utilització pels éssers vius de la biomassa primària. La biomassa secundària està formada per residus agrícoles i forestals i la terciària per residus animals, urbans i industrials. El més interessant és l'aprofitament de la biomassa secundària i terciària ja que eliminem residus i els aprofitem per alguna cosa, alhora que no es contribueix a la desforestació. Podem dividir la utilització de la biomassa en utilització energètica (tant els processos termoquímics (cremar la biomassa), com bioquímics per obtenir un compost -p.ex. etanol- que pot utilitzar-se com a combustible) i utilització no energètica (com l'obtenció de pasta de paper i productes derivats dels components principals de la biomassa).

La forma més abundant de biomassa sobre la terra és la biomassa lignocel·lulòsica (produïda a la biosfera de l'ordre de 10¹¹ tm/any) formada per compostos minoritaris (com les cendres i components orgànics de baix pes molecular -terpens, carbohidrats, flavonoides, tanins, alcohols, ....-) i components polimèrics, principalment cel·lulosa, hemicel·lulosa i lignina en proporció 4:3:3.

• La cel·lulosa és el component principal i el que té un major aprofitament. És un homopolímer format per beta-D-glucosa units per enllaços beta-1,4. La unitat repetitiva és la cel·lobiosa (dues molècules de glucosa amb un enllaç beta-1,4). En la conformació de "cadira" tots els grups hidroxils de la glucosa estan en posicions equatorials i això permet una estructura en capes on cadenes senzilles s'enllacen mitjançant ponts d'hidrogen formant estructures molt complexes amb diferents nivells organitzatius -protofibrilles, microfibrilles, macrofibrilles i fibres-. Les cadenes polimèriques de cel·lulosa tenen diferents graus d'ordenament. Les fraccions menys ordenades constitueixen la regió amorfa i les més ordenades la regió cristal·lina. Les regions amorfes són més fàcilment accessibles pels solvents, enzims, ..
  
• Les hemicel·luloses són la resta de polisacàrids, generalment ramificats, diferents de la cel·lulosa que formen les parets de les cèl·lules vegetals. Els monòmers són principalment l'arabinosa, xilosa, mannosa, galactosa, glucosa, ... i els àcids derivats. La seva composició depèn de l'espècie.
  
• La lignina presenta propietats adhesives i és la responsable de mantenir les cèl·lules vegetals unides. És un heteropolímer format pels alcohols sinapílic, cumarílic i coniferílic principalment.

L'associació entre la lignina i els polisacàrids és la que determina la rigidesa i resistència estructural de la fusta. Aquestes associacions fan del material lignocel·lulòsic un material compacte de gran resistència als atacs enzimàtics.

A partir de la lignina, hemicel·lulosa o cel·lulosa podem obtenir energia o altres productes mitjançant transformacions químiques, enzimàtiques o fermentacions. L'aprofitament de la cel·lulosa passa per la seva hidròlisi en glucosa. A partir de la glucosa podem obtenir molts altres productes, per exemple podem obtenir etanol per fermentació. Els enzims encarregats de degradar la biomassa són les cel·lulases, xilanases, ... Per degradar la cel·lulosa necessitarem endoglucanases (3.2.1.4) que trenquen els enllaços beta-1,4 interns, cel·lobiohidrolases o exoglucanases (3.2.1.91) que alliberen cel·lobiosa i beta-glucosidases (3.2.1.21) que trenquen la cel·lobiosa en glucosa. El principal problema en la degradació de la biomassa és l'accessibilitat dels enzims, la pròpia reactivitat de la cel·lulosa i la presència de les hemicel·luloses i lignina. Abans de la hidròlisi enzimàtica de la cel·lulosa cal fer un pretractament (químic, físic o físico-químic) per tal disminuir la mida de partícula, eliminar les hemicel·luloses (més solubles que la cel·lulosa), eliminar part de la lignina, augmentar els extrems en les cadenes de cel·lulosa i disminuir la seva cristal·linitat. Encara que teòricament és possible la hidròlisi de la cel·lulosa sense la presència d'enzims en medi àcid, la hidròlisi enzimàtica presenta més avantatges i el tractament amb medi àcid pot formar part del pretractament.

Després del pretractament cal fer la hidròlisi enzimàtica de la cel·lulosa, també anomenada sacarificació. Després d'aquest procés podem separar la glucosa generada (soluble) de la lignina, que no es degrada i no es solubilitza. En el disseny d'una planta de degradació de biomassa és fonamental disposar d'una via de producció dels enzims. Seria inviable econòmicament obtenir els enzims comercialment. Normalment en el disseny global d'una planta de degradació de biomassa es planteja una sacarificació (hidròlisi de la cel·lulosa a glucosa) i una posterior fermentació de la glucosa per obtenir el producte desitjat (per exemple etanol). Els productes de degradació de la cel·lulosa (glucosa i cel·lobiosa) inhibeixen als enzims responsables de la degradació de la cel·lulosa (cel·lulases i beta-glucosidases). Per això l'ideal seria poder fer una sacarificació i una fermentació simultània (això es coneix com SSF), així la glucosa generada es fermentaria directament i no hi hauria inhibició per producte.

No existeixen encara grans plantes de degradació enzimàtica de biomassa. Sí que s'han fet experiències pilot a petita escala, com a França, Estats Units o Suècia.