- Investigadores de la Universidad de Cádiz logran producir hidrógeno usando bacterias y glicerol residual del biodiésel.
- El sistema combina una cepa modificada de Escherichia coli y la bacteria fotosintética Rhodobacter capsulatus en dos etapas sucesivas.
- No es necesario purificar el ácido málico intermedio, lo que simplifica el proceso y reduce costes para su futura implantación industrial.
- La propuesta encaja en un modelo de economía circular, revalorizando un residuo masivo y apoyando la transición energética en Andalucía.
Andalucía se ha consolidado como uno de los grandes polos energéticos de España y Europa, con un consumo cercano al 40% del hidrógeno utilizado a nivel estatal y varias plantas de hidrógeno verde repartidas por la región, según análisis sobre la apuesta por el hidrógeno verde. En este contexto, el aprovechamiento de residuos industriales para generar nuevos vectores energéticos empieza a dejar de ser una idea de futuro para convertirse en experimentos muy tangibles de laboratorio.
En la Universidad de Cádiz, un grupo de especialistas en biotecnología, en línea con otras investigaciones en hidrógeno verde, ha demostrado que es posible producir hidrógeno empleando bacterias y glicerol procedente de la industria del biodiésel. Se trata de un proceso que encaja de lleno en la economía circular: lo que antes era un desecho problemático pasa a convertirse en materia prima para un biogás con un papel clave en la descarbonización.
Un proceso biotecnológico que convierte residuos de biodiésel en hidrógeno
El trabajo lo ha llevado a cabo el grupo de Biotecnología Molecular del área de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Cádiz (UCA). El objetivo ha sido diseñar y validar, a escala de laboratorio, un sistema capaz de transformar el glicerol crudo que sobra en las biorrefinerías de biodiésel en hidrógeno mediante la acción combinada de dos microorganismos.
El glicerol es un subproducto que se genera en grandes cantidades durante la fabricación de biodiésel, hasta el punto de que se estima una producción mundial superior a 50 millones de toneladas anuales. Aunque encuentra ciertos usos industriales, su acumulación se ha convertido en un quebradero de cabeza para la sostenibilidad del sector, de ahí el interés en encontrar vías para revalorizar el glicerol residual.
La investigación, cuyos resultados se han publicado en la revista científica Microbial Cell Factories, propone que una misma instalación pueda producir biodiésel y, con los residuos de ese proceso, generar hidrógeno. De esta manera, se aumenta el valor añadido del complejo industrial y se reducen los impactos ambientales asociados al almacenamiento de glicerol.
El estudio ha contado con el impulso de la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y de la Cátedra Fundación Cepsa, reforzando el papel del sistema andaluz de I+D en el campo de las tecnologías energéticas limpias y su vínculo con el valle del hidrógeno verde.
Dos bacterias, dos etapas: del glicerol al hidrógeno
El corazón del sistema es una cadena de trabajo en dos fases en la que participan dos bacterias muy diferentes pero complementarias: Escherichia coli y Rhodobacter capsulatus. Cada una se encarga de un tramo del proceso, de forma secuencial, hasta llegar al hidrógeno.
En la primera etapa, los investigadores utilizan una cepa modificada de Escherichia coli, una bacteria habitual del intestino humano que en este caso ha sido rediseñada para llevar a cabo una función que no realiza de forma natural: transformar el glicerol en ácido málico. Este ácido orgánico está presente de forma natural en muchas frutas y aquí actúa como eslabón intermedio.
La conversión se lleva a cabo mediante fermentación oscura, un proceso biotecnológico que no requiere luz. Durante esta fase, la E. coli consume el glicerol residual de la producción de biodiésel y lo convierte en ácido málico en un medio de cultivo controlado.
En la segunda fase entra en juego la bacteria fotosintética Rhodobacter capsulatus. Este microorganismo es capaz de producir hidrógeno mediante fotofermentación, un mecanismo por el cual aprovecha la energía de la luz para impulsar una serie de reacciones metabólicas que tienen como resultado la generación de este biogás.
El diseño permite que el ácido málico obtenido en la primera etapa se utilice como sustrato directo para Rhodobacter capsulatus, cerrando así el ciclo: de un residuo industrial como el glicerol se pasa a un compuesto intermedio y, finalmente, al hidrógeno, sin necesidad de incorporar materias primas de alto coste.
Rediseñar la E. coli: ingeniería metabólica y biología de sistemas
Para conseguir que Escherichia coli realizara esta conversión de forma eficiente, el equipo de la UCA recurrió a herramientas de ingeniería metabólica y biología de sistemas. En lugar de usar la bacteria tal cual, la modificaron para redirigir su metabolismo hacia la producción intensiva de ácido málico a partir de glicerol.
La ingeniería metabólica se centra en alterar las rutas bioquímicas de la célula para que priorice la síntesis de un compuesto concreto, en este caso el ácido málico. La biología de sistemas, por su parte, apoya este rediseño con modelos matemáticos y técnicas de bioinformática que ayudan a predecir cómo responderá la bacteria a los cambios introducidos.
Gracias a este enfoque combinado, los investigadores lograron una cepa de E. coli capaz de alcanzar concentraciones cercanas a 11 gramos por litro de ácido málico en unas 24 horas, utilizando glicerol como única fuente de carbono. Según el catedrático Jorge Bolívar, responsable del estudio, se trata de una de las cifras más altas reportadas hasta el momento para este tipo de sistema.
Además, comprobaron que el proceso podía mantenerse en funcionamiento durante al menos 72 horas, periodo en el que la producción de ácido málico llegaba a duplicarse sin variar la concentración de partida. Esto sugiere que la cepa rediseñada mantiene una estabilidad razonable, un aspecto clave a la hora de pensar en implantarlo en entornos industriales.
Todo este trabajo previo de optimización metabólica es lo que permite que la primera etapa aporte suficiente ácido málico para que la fase de fotofermentación tenga sentido desde el punto de vista energético. Sin un rendimiento elevado en esta fase inicial, el conjunto del proceso perdería competitividad frente a otras alternativas.
Fotofermentación sin purificar el intermediario: menos pasos y menos costes
En la segunda etapa del sistema, el protagonismo recae en Rhodobacter capsulatus, una bacteria fotosintética que utiliza la luz como fuente de energía para llevar a cabo la fotofermentación. En presencia de ácido málico y bajo condiciones de iluminación adecuadas, este microorganismo libera hidrógeno como producto principal.
Una de las aportaciones más llamativas del estudio es que no es necesario purificar el ácido málico producido por Escherichia coli antes de pasarlo a la segunda fase. La bacteria fotosintética es capaz de aprovechar directamente el caldo de fermentación, con todos los compuestos que contiene, lo que simplifica mucho la configuración del proceso.
Según detalla el investigador Antonio Valle, coautor del trabajo, esta característica reduce de forma notable la complejidad técnica y los costes operativos, ya que evita etapas de separación y limpieza del intermediario. Desde el punto de vista industrial, eliminar pasos intermedios es una ventaja clara de cara a una eventual implantación en plantas reales.
Además, los ensayos indican que el rendimiento de la fotofermentación con glicerol crudo, sin refinar, puede ser incluso más interesante que el obtenido con glicerol purificado. Aunque este punto deberá validarse en configuraciones de mayor escala, abre la puerta a trabajar directamente con el residuo tal como sale de la biorrefinería.
El resultado final es un modelo de proceso integrado en el que se pasa de glicerol residual a hidrógeno en dos fases encadenadas, utilizando bacterias como pequeñas fábricas biológicas y reduciendo al mínimo los tratamientos adicionales del sustrato.
Microbiorreactores y control fino de las condiciones de cultivo
Para ajustar los parámetros del sistema y evaluar su comportamiento, el equipo de la UCA empleó microbiorreactores de última generación del Instituto de Investigación de Biomoléculas (INBIO). Estos dispositivos permiten ensayar múltiples condiciones al mismo tiempo con un control muy preciso.
Durante la experimentación se monitorizaron variables clave como la temperatura, la concentración de oxígeno disuelto y el pH, tanto en la etapa de fermentación oscura como en la de fotofermentación. Estas magnitudes influyen de manera decisiva en la actividad de las bacterias y, por tanto, en el rendimiento global del proceso.
La capacidad de controlar en paralelo distintos microbiorreactores facilitó la comparación sistemática de configuraciones y permitió identificar condiciones de operación especialmente favorables. Este enfoque experimental aceleró la optimización del sistema a pequeña escala y aportó datos útiles para pensar en futuros escalados.
Los investigadores señalan que este tipo de plataformas resulta muy útil en la fase de desarrollo, ya que permite detectar problemas de estabilidad, limitaciones de nutrientes o efectos indeseados de ciertos compuestos del medio sin necesidad de recurrir de entrada a biorreactores de gran volumen.
Aunque el salto desde el entorno de microbiorreactor a una planta industrial implica siempre nuevos desafíos, contar con este nivel de información previa reduce la incertidumbre técnica y ayuda a diseñar estrategias de escalado más realistas y a buscar financiación, como la primera subasta nacional.
Hidrógeno y economía circular: un encaje en la transición energética
El hidrógeno se ha consolidado como uno de los vectores energéticos con mayor proyección en la transición hacia sistemas bajos en carbono, sobre todo en sectores difíciles de electrificar, un impulso que en Europa se concreta en iniciativas para acelerar el hidrógeno verde.
En la actualidad, la mayor parte del hidrógeno que se consume en el mundo se obtiene todavía a partir de combustibles fósiles, en procesos intensivos en emisiones como el reformado de gas natural. De ahí que una de las grandes prioridades de la investigación energética sea encontrar métodos de producción verdaderamente sostenibles.
La propuesta desarrollada en Cádiz añade una pieza a este puzzle al aprovechar un residuo abundante de la industria del biodiésel para generar hidrógeno sin recurrir a recursos fósiles adicionales. Este planteamiento casa bien con la lógica de la economía circular, en la que los desechos de un proceso se convierten en recursos para otro, tal y como muestran otras iniciativas que transforman residuos en hidrógeno, por ejemplo mediante tecnologías solares y de valorización de residuos aprovechando residuos industriales.
Al mismo tiempo, el sistema contribuye a aliviar un problema real del sector del biodiésel: la acumulación de glicerol. Aunque este compuesto tiene salidas comerciales, no siempre es sencillo colocarlo en el mercado a la velocidad a la que se genera, lo que puede derivar en costes de almacenamiento y riesgos ambientales si no se gestiona adecuadamente.
Si en el futuro se consigue escalar este tipo de procesos, las biorrefinerías podrían transformarse en instalaciones multifuncionales, capaces de producir biocarburantes líquidos y, al mismo tiempo, hidrógeno a partir de sus propios residuos, mejorando así su balance económico y ambiental y facilitando su implantación en instalaciones industriales.
Paralelamente a la línea centrada en el glicerol de biodiésel, el mismo equipo de la UCA trabaja en un proyecto similar para revalorizar el bagazo de cerveza, el residuo sólido que se genera en grandes cantidades en las plantas cerveceras. La idea es utilizarlo también como materia prima en procesos biotecnológicos orientados a la producción de hidrógeno.
Estas iniciativas muestran un enfoque común: explorar cómo distintos subproductos de industrias muy implantadas en España —como la de los carburantes renovables o la cervecera— pueden convertirse en una fuente adicional de energía limpia en lugar de representar un coste de gestión.
Los responsables del trabajo insisten, no obstante, en que todavía es necesario mejorar el rendimiento del sistema y analizar su viabilidad a gran escala. El paso desde la escala de laboratorio a instalaciones industriales supondrá un reto técnico y económico que requerirá nuevas fases de desarrollo y colaboración con el sector privado.
Este proyecto sitúa a la Universidad de Cádiz y al sistema andaluz de conocimiento en una posición relevante dentro de la investigación europea en biotecnología aplicada a la energía, al proponer un esquema en el que bacterias, residuos industriales y economía circular se combinan para plantear alternativas de producción de hidrógeno acordes con los objetivos de descarbonización.
