Pequeños pero poderosos: los microorganismos contribuyen a una mayor sostenibilidad en BASF

La plataforma única de I+D de BASF sirve de base para el desarrollo de soluciones químicas sostenibles. "En los últimos años, hemos adaptado sistemáticamente esta plataforma a las necesidades de nuestros clientes", dijo Maas-Brunner. BASF cuenta con unos 10.000 empleados que trabajan en investigación y desarrollo en todo el mundo. En 2021, la empresa invirtió unos 2.200 millones de euros en el desarrollo de productos sostenibles y nuevos campos tecnológicos. "Ampliar nuestras competencias es una tarea continua para nosotros", dijo Maas-Brunner. Algunos ejemplos son la generación de hidrógeno_{sin CO2}, la electrificación de los procesos de producción y el avance de la economía circular, así como el aprovechamiento de nuevas fuentes de materias primas y el uso de herramientas digitales de forma aún más eficiente.

Las inversiones en investigación y desarrollo están dando sus frutos, como demuestran los más de 11.000 millones de euros en ventas generados por los productos que BASF ha puesto en el mercado en los últimos cinco años. Dentro de la industria química, BASF ocupa una posición de liderazgo en cuanto al número y la calidad de sus patentes. "Estoy especialmente satisfecho de que en 2021, el 45% de nuestras solicitudes de patentes estuvieran relacionadas con innovaciones especialmente centradas en la sostenibilidad, y esta tendencia va en aumento", dijo Maas-Brunner. También a largo plazo, la empresa quiere aumentar sus ventas e ingresos con productos que contribuyan de forma significativa a la sostenibilidad.

"Muchas de las tecnologías que permitirán una sociedad climáticamente neutra aún no se han inventado", dijo Maas-Brunner. Por tanto, es importante superar los retos futuros estando abiertos a las tecnologías e incorporando conceptos tecnológicos alternativos. "Para ello, necesitamos alianzas, con todos los actores de la industria, la ciencia, la política y la sociedad. Las alianzas entre las empresas y los legisladores son especialmente importantes porque necesitamos unas buenas condiciones marco que sustenten nuestras acciones", dijo Maas-Brunner.

La biotecnología blanca es cada vez más importante

Gracias a su amplio abanico de competencias tecnológicas, BASF está bien posicionada para desarrollar soluciones innovadoras para una química climáticamente neutra. La biotecnología blanca se está convirtiendo en una parte cada vez más importante de la caja de herramientas de BASF. "Se trata de herramientas de la naturaleza, que se utilizan desde hace mucho tiempo y se perfeccionan constantemente", afirma la Dra. Doreen Schachtschabel, vicepresidenta de Investigación de Biotecnología Blanca de BASF. Los microorganismos, como las bacterias o los hongos, participan en estos bioprocesos, que incluyen la fermentación y la biocatálisis. Utilizan diversos materiales orgánicos para transformarlos en productos finales completamente diferentes. Pueden ser vino, pan o queso, pero también sustancias para la industria química. "La biotecnología blanca se ha convertido en una de nuestras tecnologías clave que nos permite producir utilizando una gran variedad de materias primas de forma eficiente, conservando los recursos y, lo que es más importante, de forma flexible", afirmó Schachtschabel.

La lista de sustancias químicas y productos que BASF produce con métodos de biotecnología blanca es larga: biopolímeros, ingredientes esenciales para la nutrición humana y animal, como vitaminas y enzimas, productos para la protección de cultivos, sabores y fragancias, así como enzimas para detergentes e ingredientes cosméticos. En cinco de los seis segmentos de BASF -Química, Materiales, Soluciones Industriales, Nutrición y Cuidado y Soluciones Agrícolas- la empresa ya produce más de 3.000 productos asociados a la biotecnología o biodegradables. En 2021, éstos aportaron más de 3.500 millones de euros a las ventas, y la tendencia va en aumento.

Para desarrollar nuevos procesos y productos, los investigadores de BASF trabajan con numerosos socios académicos e industriales externos. Los fundamentos tecnológicos y los enfoques suelen ser muy similares a pesar de las diferentes propiedades de las moléculas.

En primer lugar, se identifica un microorganismo adecuado que pueda cultivarse. En el siguiente paso, se modifica el genoma, si es necesario, cambiando así el metabolismo de manera que la bacteria o el hongo produzcan más cantidad de una determinada sustancia o produzcan una molécula totalmente nueva con nuevas propiedades.

Entonces comienza el bioproceso propiamente dicho: Los microorganismos producen la molécula objetivo en los volúmenes deseados y en condiciones óptimas. Los nutrientes y componentes básicos pueden ser materias primas renovables, como el azúcar, pero también flujos de residuos, productos reciclados y moléculas de síntesis química.

La digitalización es esencial para el desarrollo de nuevos procesos y productos. No se trata sólo de trabajar de forma más eficiente y eficaz. "Sin la biología computacional, en concreto la bioinformática, no podríamos hacer lo que hacemos hoy", afirma Schachtschabel.

El desarrollo del insecticida Inscalis™ muestra cómo la química clásica y la biotecnología pueden complementarse de forma ideal. El primer paso en la producción de este insecticida es la fermentación. El producto intermedio se transforma en un producto fitosanitario acabado en un proceso de producción posterior basado en la química clásica. "Aquí reunimos lo mejor de ambos mundos: al combinar la fermentación con la síntesis química selectiva, el proceso híbrido nos permite producir un producto altamente eficaz y sostenible de forma rentable", dijo Schachtschabel.

En el futuro, BASF seguirá apostando por una base flexible y amplia de materias primas y tecnologías. "Reconocemos que la biotecnología, la ingeniería y la química clásica, cuando se integran de forma óptima, permiten procesos muy eficaces, así como sostenibles desde el punto de vista económico y medioambiental. Esto ayudará a BASF a alcanzar sus objetivos de sostenibilidad", afirmó Schachtschabel.

Carbón gaseoso como fuente alternativa de materia prima

Además de la fermentación clásica, que suele basarse en materias primas renovables, BASF y la empresa estadounidense LanzaTech están trabajando conjuntamente en procesos especiales en los que las bacterias utilizan fuentes de carbono gaseoso, como el monóxido y el dióxido de carbono, como materia prima. El carbono puede proceder de los gases residuales de acerías, refinerías y plantas químicas, pero también de residuos domésticos gasificados. "Nos gustaría aprovechar el potencial de la fermentación de gases para fabricar productos químicos para las cadenas de valor de la industria química", dijo el profesor Michael Helmut Kopf, Director de Plataformas de Fermentación Alternativa de BASF. Las instalaciones de producción de LanzaTech en China ya utilizan esta tecnología para producir etanol y pronto entrará en funcionamiento otra planta en Bélgica. Las dos empresas desean ahora producir alcoholes superiores y otros productos intermedios mediante procesos de fermentación de gases.

"Nuestras bacterias están especialmente diseñadas para que puedan transformar el carbono residual en una variedad de productos intermedios deseados", explicó el Dr. Sean Simpson, fundador y director científico de LanzaTech. BASF, por su parte, aporta a este proyecto de desarrollo su experiencia en química y tecnología de procesos, así como en la intensificación de los mismos. BASF también está diseñando el proceso para separar y purificar los productos del sistema de fermentación para que puedan introducirse en las cadenas de valor.

En todo el mundo hay fuentes de carbono alternativas más que suficientes que pueden utilizarse para la fermentación de gases. "Pero esto requerirá un cambio de mentalidad para permitir proyectos de carácter intersectorial, por ejemplo, conectando la industria química con las acerías o las empresas de gestión de residuos", dijo Simpson. Una mayor disponibilidad de estas fuentes de materias primas alternativas supondrá una menor necesidad de materias primas fósiles vírgenes para producir productos químicos.

"Las tecnologías de gasificación de materiales residuales, la fermentación de gases -junto con el hidrógeno sostenible y la energía renovable para la síntesis de productos- y los procesos eficientes de purificación de los resultados de los productos pueden, en el futuro, contribuir de forma importante a mejorar la sostenibilidad de nuestras cadenas de valor", dijo Kopf, comentando el potencial de la tecnología.

Entender la biodegradabilidad en detalle

En BASF, las bacterias y los hongos no sólo desempeñan un papel en la producción de productos sostenibles. "Para nosotros, la sostenibilidad también significa saber exactamente cómo y por qué los microorganismos del medio ambiente biodegradan nuestros productos después de su uso", dijo el profesor Andreas Künkel, vicepresidente de Investigación de Biopolímeros de BASF. La biodegradabilidad significa que los microorganismos metabolizan moléculas orgánicas complejas en energía, agua, dióxido de carbono y biomasa.

Utilizar este método natural y desarrollar productos totalmente biodegradables requiere una comprensión fundamental de la química y de los procesos biológicos. Por ello, BASF ha ampliado considerablemente sus actividades de I+D relacionadas con la biodegradabilidad en los últimos 10 años. "Este tema increíblemente complejo sólo puede dominarse en un equipo interdisciplinar", afirmó Künkel. Destacó la importancia de la colaboración interna y externa con los clientes, las universidades y los institutos de investigación, con los que BASF llevó a cabo con los que BASF llevó a cabo extensos experimentos en el laboratorio y en el campo. "Estudiamos con gran detalle cómo debemos diseñar los materiales para que nuestros productos se biodegraden en el suelo y en sistemas técnicos como el compost y las instalaciones de tratamiento de aguas residuales", explicó Künkel.

Un ejemplo de ello es el film de acolchado ecovio®. Está certificado como biodegradable en el suelo y ayuda a los agricultores a obtener mayores rendimientos. Después de la cosecha, la película puede ser simplemente arada y será descompuesta por los microorganismos del suelo. Los investigadores de BASF han trabajado con científicos de la ETH de Zúrich para examinar cómo y por qué se biodegrada el film en el suelo, tanto en el laboratorio como en el campo. Para ello, desarrollaron nuevos métodos de análisis que pueden demostrar que el carbono de la película se transforma biológicamente en dióxido de carbono y biomasa.

Otra importante aplicación de los materiales biodegradables son los ingredientes de los detergentes para la ropa, los lavavajillas y los cosméticos que acaban en las plantas de tratamiento de aguas residuales al final de su ciclo de vida. También en este caso es crucial comprender exactamente cómo influye la estructura del material en su biodegradabilidad.

Para ampliar la cartera de nuevos productos biodegradables certificados, las herramientas digitales son un componente importante del trabajo de investigación. Gracias a su amplia recopilación de datos sobre biodegradabilidad, BASF puede desarrollar modelos informáticos que permiten predecir, en una fase muy temprana del desarrollo del producto, las propiedades y la biodegradabilidad de las moléculas y los materiales, lo que permite adaptar sus estructuras en consecuencia. "BASF es pionera y líder en la modelización digital de la biodegradabilidad predictiva. Esto es útil cuando se coopera con los clientes para desarrollar productos biodegradables a medida para una aplicación concreta", dijo Künkel.