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Impacto de la Biotecnología en los Sectores Industrial y EnergéticoInforme de Prospectiva Tecnológica

Impacto de la Biotecnología en los SectoresIndustrialy Energético

Informe de ProspectivaTecnológica

Sector industrial y energético

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IMPACTO DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LOS SECTORES INDUSTRIAL Y ENERGÉTICO

El presente informe de Prospectiva Tecnológica ha sido

realizado en el marco del convenio de colaboración

conjunta entre la Fundación Observatorio de Prospectiva

Tecnológico Industrial (OPTI) y Genoma España.

Genoma España y Fundación OPTI, agradecen de toda

sinceridad el apoyo desinteresado de toda la comunidad

científica y empresarial que ha participado en este

informe, y más en concreto a los miembros del Panel de

Expertos:

– Mercedes Ballesteros, CIEMAT.

– Juan Antonio Cabrera, CIEMAT.

– Antonio Ballesteros Olmo, Instituto de Catálisis y

Petroleoquímica - CSIC. Departamento de Biocatálisis.

– Antoni Planas Sauter, Institut Químic de Sarrià (IQS).

Laboratorio de Bioquímica.

– José María Sánchez-Puelles, Fundación Valenciana

de Investigaciones Biomédicas. Farmacología Molecular.

– Francesc Godia, Universidad Autónoma de Barcelona.

Departamento de Ingeniería Química.

– Félix García-Ochoa Soria, Universidad Complutense

de Madrid. Departamento de Ingeniería Química.

– Josep Vicent Sinisterra Gago, Universidad Complutense

de Madrid. Departamento de Química Orgánica

y Farmacéutica.

– José Luis Iborra, Universidad de Murcia.

Dpto. Bioquímica y Biología Molecular.

– Antonio Sánchez Amat, Universidad de Murcia.

Departamento de Genética y Microbiología.

– Vicente Gotor Santamaría, Universidad de Oviedo.

Departamento de Química Orgánica e Inorgánica.

– José Antonio Salas Fernández, Universidad de Oviedo.

Departamento Biología Funcional.

– José Antonio Moreno Delgado, ABENGOA.

– Ricardo Arjona, ABENGOA/ Greencell.

– Pablo Gutiérrez, ABENGOA/ Biocarburantes

de Castilla y León.

– Kepa Izaguirre Goyoaga, AB LABORATORIOS

DE BIOTECNOLOGÍA.

– Jesús Eleodoro Corrales Noriega, BIOFERMA.

– Ángel Cebolla Ramírez, BIOMEDAL.

– Daniel Ramón Vidal, BIOPOLIS.

– José Luis Novella Robisco, Planta Piloto de Química Fina

de Alcalá de Henares.

La reproducción parcial de este informe está autorizada

bajo la premisa de incluir referencia al mismo, indicando:

Impacto de la Biotecnología en los Sectores Industrial

y Energético. Genoma España/Fundación OPTI.

Genoma España no se hace responsable del uso que se

realice de la información contenida en esta publicación.

Las opiniones que aparecen en este informe

corresponden a los expertos consultados y a los autores

del mismo.

Relatores:

Olga Ruiz Galán (Genoma España)

Miguel Vega García (Genoma España)

Coordinación:

Fernando Garcés Toledano (Genoma España)

Ana Morato (Fundación OPTI)

Miguel Vega García (Genoma España)

Apoyo metodológico:

Juan Antonio Cabrera (CIEMAT)

© Copyright: Fundación Española para el Desarrollo

de la Investigación en Genómica y Proteómica/OPTI.

Edición: Cintia Refojo (Genoma España)

Referencia: GEN-ES06003

Fecha: noviembre 2006

Depósito Legal:

Diseño y realización: Spainfo, S.A.


Índice de contenido

1. INTRODUCCIÓN 6

2. ENTORNO SOCIO-ECONÓMICO 7

3. ENTORNO TECNOLÓGICO 11

3.1. Tendencia tecnológica I. Biotransformación 113.2. Tendencia tecnológica II. Bioproducción 133.3. Tendencia tecnológica III. Genómica 153.4. Tendencia tecnológica IV. Biocombustibles 163.5. Tendencia tecnológica V. Biotecnología ambiental 183.6. Otras tecnologías 19

4. RESULTADOS DE LA ENCUESTA 21

5. SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS CRÍTICAS 28

6. FICHAS TECNOLÓGICAS 30

Tecnología crítica I. Nuevas enzimas 30Tecnología crítica II. Inmovilización de enzimas 32Tecnología crítica III. Optimización de enzimas industriales 34Tecnología crítica IV. Bioproducción de fármacos 36Tecnología crítica V. Alto rendimiento en producción enzimática 38Tecnología crítica VI. Escalado industrial de la producción 40Tecnología crítica VII. Bioetanol a partir de almidón 42Tecnología crítica VIII. Bioetanol a partir de celulosa 44Tecnología crítica IX. Biocombustibles a partir de residuos orgánicos 46Tecnología crítica X. Biología de sistemas 48Tecnología crítica XI. Bionanotecnología 50

7. CONCLUSIONES 52

ANEXOS 54

ANEXO I 54ANEXO II 55ANEXO III 56ANEXO IV 57ANEXO V 66

REFERENCIAS 67

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1. Introducción

Desde el año 2003, la fructífera colaboraciónentre las Fundaciones Estatales, Genoma Españay OPTI (Observatorio de Prospectiva TecnológicaIndustrial), ha tenido como colofón la realizacióny publicación de una colección de Informes deProspectiva Tecnológica sobre el Impacto de laBiotecnología en diferentes sectores. En el año2004, se publicó el primero de estos informes enel sector sanitario (Biotecnología Roja); en el año2005, se publicó el segundo, en este caso sobrelos sectores agrícola, ganadero y forestal(Biotecnología Verde); y ya por último, en elpresente año 2006, se publica el informe del queeste párrafo es introductorio, sobre los sectoresindustriales y energéticos (Biotecnología Blanca).

A lo largo de este intenso trabajo de más de tresaños, la colección de Informes de ProspectivaTecnológico sobre el Impacto de la Biotecnología,ha tenido siempre el mismo objetivo: servir deayuda en la toma de decisiones, tanto enentornos públicos, que establecen programas ypolíticas de fomento, como en entornos privados,que establecen estrategias de desarrollo deproductos y servicios. Siguiendo esta filosofía deutilidad para diferentes interlocutores de laBiotecnología, el presente informe ha abordado elestudio de las tendencias sociales, económicas ytecnológicas que pueden contribuir a perfilar laaplicación presente y futura de la Biotecnología ensectores químico-industriales y energéticos.

En el transcurso de la elaboración y redacción deeste nuevo informe se han identificado una seriede tecnologías concretas y que, gracias al Panelde Expertos y la encuesta realizada a decenas deexpertos, se han evaluado y seleccionado parapoder constituir un listado de tecnologías críticas.

En un horizonte temporal menor a los diez años,muchas de las tecnologías identificadas en esteinforme serán una realidad que impregnaránuestra vida diaria, incluyendo la mejora o eldesarrollo de nuevos materiales, combustibles yfármacos. Si el siglo XX ha estado caracterizadopor el empuje del sector petroquímico,proveyendo de productos tan básicos para lasociedad, como la gasolina o los plásticos, en elsiglo XXI es previsible que asistamos a un ciertodeclive de dicho sector en favor de labiotecnología industrial y energética. La utilizaciónde las cosechas, en muchos casos modificadasgenéticamente para adaptarse a las condicionesde transformación industrial, de la biomasa y losresiduos, así como la transformación y utilizaciónde microorganismos y de sus productosenzimáticos, permitirán situar a la Biotecnologíaen un lugar preferente, como suministradora deproductos industriales y energéticos rentables,novedosos y menos contaminantes.

Como ya se ha comentado, el objeto del presenteinforme es vislumbrar el posible futuro de lossectores industrial y energético y la implicaciónque tendrá la Biotecnología en los mismos. Paraello, es fundamental analizar el entorno social,económico y tecnológico en el que nosencontramos y en el que han de desarrollarse lastecnologías críticas cuya identificación constituyeel objetivo último de este informe.

El sector industrial, y en concreto el de laquímica industrial, es uno de los sectores demayor importancia en la economía europea yespañola debido al gran volumen de negocio quegenera y a que se trata de una industriaindispensable para el resto de los sectoreseconómicos. El sector energético, y en concretolos combustibles, es tanto o más estratégicoque el anterior para economías con grandependencia energética del exterior como Españay otros países europeos.

El estudio en profundidad de los factores sociales y económicos que pueden influir demanera notoria en la evolución de estos sectores,pone de manifiesto que algunos de los factorescríticos son:

• Respeto por el medio ambiente: legislaciónmedioambiental. La protección y mejora de lacalidad del medio ambiente es un reto al que seenfrenta la industria en general, y la industriaquímica en concreto.

La Unión Europea ha elaborado una normativamedioambiental para los productos químicos,entre cuyos objetivos se encuentra mejorar laprotección de la salud humana y del medioambiente. Se trata de la normativa de Registro,Evaluación y Autorización de Productos Químicos(REACH en sus siglas en inglés). Según estanormativa, que se espera que entre en vigorpróximamente, corresponde a fabricantes,importadores y usuarios intermedios garantizarque sólo se fabriquen, comercialicen y usensustancias que no afecten negativamente a lasalud humana y al medio ambiente.

El impacto que la aplicación de dicha normativatendrá es difícil de evaluar, pero todo pareceindicar que la implantación del sistema REACHpondrá en franca desventaja a la industriaeuropea frente a terceros países y a laimportación de productos fabricados fuera de laUE. Entre las consecuencias previstas seencuentran la subida de los costes de desarrollo,la reducción de los catálogos de los productos delas empresas a los productos clave o prioritarios yla desaparición de muchas empresas medianas ypequeñas o su absorción por parte de otrosmayores. Teniendo en cuenta que en España lasPYME constituyen casi el 96% del sector, elimpacto podría ser muy importante.

Respecto a la contribución del sector privado, lainversión en I+D+i en 2004 del sector químicocorresponde al 26,6% del gasto total procedentede la industria que se realiza en España, del cualel 71% fue realizado por el sector farmacéutico.La implantación del sistema REACH supondrá ungasto para las empresas que muy probablementehaga que la inversión en I+D+i se resienta.

• Desarrollo sostenible. El Convenio deBiodiversidad firmado en 1992 en Río deJaneiro, y ratificado por España en 1993,constituye el máximo exponente de lasestrategias de conservación del siglo XX. En él seestablece la biodiversidad como un patrimoniocomún de la humanidad, cuya conservación esuna responsabilidad compartida que ha dellevarse a cabo en un marco de uso sostenible.Sus tres objetivos principales son la conservaciónde la diversidad biológica, el uso sostenible de suscomponentes y la distribución justa y equitativade los beneficios derivados de la utilización de losrecursos genéticos.

En la elaboración del Convenio, los gobiernosreconocieron la posibilidad que la Biotecnologíamoderna tiene de contribuir a la consecución deestos objetivos en la medida en que sedesarrollase y utilizase, con arreglo a ciertasmedidas de seguridad adecuadas para la salud delmedio ambiente y del hombre.

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2. Entorno socio-económico

En términos reales este convenio establece que lascomunidades regionales y/o locales debenbeneficiarse de los descubrimientos de moléculasactivas, sobre todo con fines farmacéuticos, que seproduzcan en su entorno. Los principios de esteconvenio ya han empezado a aplicarse pordiferentes empresas, incluidas las estadounidenses,aunque su país no haya firmado el mismo.

• Cambio climático y Protocolo de Kioto. Laindustrialización, las emisiones de gasescontaminantes, la deforestación y la tala debosques y ciertas prácticas agrarias son algunasde las causas que han contribuido al efectoinvernadero y al calentamiento global del planeta.El Protocolo de Kioto, firmado en diciembre de1997 en el marco del Convenio de las NacionesUnidas sobre el Cambio Climático, concluyó con laadopción de un acuerdo de reducción deemisiones de gases con efecto invernadero del5,2% respecto de los niveles de 1990, durante elperíodo comprendido entre los años 2008 y 2012.La Unión Europea fijó como objetivo la reducciónde dichas emisiones en un 8%. Los compromisosasumidos por cada Estado Miembro varían enfunción de una serie de parámetros de referenciaque en el caso de España suponen la obligaciónde no superar en más del 15% el nivel deemisiones de 1990.

Sin embargo, España es el país de la UE que másse aleja de los compromisos contraídos para lareducción de emisiones. De hecho, éstas hanaumentado un 45,6% entre 1990 y 2004, lo quesupone más del doble del nivel que España podríaaumentar sus emisiones para el período 2008-2012. Las mayores contribuciones a estasemisiones proceden del sector energético, con unaumento del 48% respecto a 1990, seguido de losprocesos industriales distintos a la combustión, conun aumento del 23,1% respecto a 1990. El menorcaudal de los ríos en España debido a la sequía delúltimo año, motivó un mayor uso de combustiblesfósiles en la generación de energía para compensarla disminución de energía hidroeléctrica.

• Dependencia energética y fuerteincremento del precio del crudo. Losmateriales que utiliza la industria química comofuente de energía y como materias primas sonprincipalmente derivados del petróleo. El aumentodel precio del petróleo que se ha producido en losúltimos años, llegando a los 75 dólares por barrila principios de mayo de 2006, debido al fuerteincremento de la demanda, sobre todo de China,a la inseguridad de suministro en ciertos paísescon problemas de estabilidad y a un no menosimportante cierto grado de especulación, hacenecesario el desarrollo de nuevas fuentes deenergía y de nuevas materias primas. Según elInforme de Seguimiento de la EvoluciónTecnológica en 2004 elaborado por la FundaciónOPTI, España presentó en ese año un grado dedependencia energética mayor del 70%,superando ampliamente la media europea, que seencuentra en el 50%1.

A lo largo de estos últimos años se haincorporado en muchas agendas políticas lanecesidad de reducir la dependencia de lasmaterias primas petroquímicas mediante eldesarrollo de nuevas formas de energíasalternativas, que permitan además disminuir lasemisiones de gases con efecto invernadero, asícomo de nuevas materias primas renovables.Además, existe la tendencia de, frente a la“economía del hidrocarburo” en la que nosencontramos en este momento, desarrollar unanueva economía basada en los carbohidratos. Uncambio en las materias primas de hidrocarburosfósiles a materias primas procedentes de plantas,animales o microorganismos (biorrefinerías),ayudaría a una reestructuración del sectorquímico que permitiría una producción sostenible.

• Incremento de la demanda energética. En losúltimos años en nuestro país se ha producido unincremento sustancial de la demanda energética,debido principalmente al consumo de carburantespara el transporte y de energía eléctrica tantoindustrial como doméstica. Las previsiones sobreconsumo energético, sitúan el consumo de energíaen España para el 2010 en 167 Millones de tep(toneladas de petróleo equivalente), lo que suponeun incremento del consumo de 18,5% en el periodo2006-2010. Además, también se prevé que a lolargo del periodo de referencia 2006-2010, lossectores de consumo que más van a incrementar sudemanda de energía serán el domestico y eltransporte por carretera.

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1 V.V. A.A. (2005). Informe de Seguimiento de la Evolución Tecnológica en 2004. Fundación OPTI.

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Las proyecciones de demanda energética paraEspaña son tan altas, y la capacidad deincrementar la producción de energía tanmoderada, que incluso se ha abierto el debatepolítico sobre la conveniencia de abrir nuevascentrales nucleares. En la actualidad y con vistas a fomentar la producción energética enEspaña, y una producción energética sosteniblecon el medio ambiente, se está favoreciendoconsiderablemente el desarrollo de las energíasrenovables.

Sólo un 6,5% de la energía utilizada en Españaproviene de fuentes renovables, por lo que sehace necesario potenciar su utilización al menoshasta alcanzar el objetivo del 12% de consumode energías renovables sobre el total de lademanda, tal y como figura en el Plan de EnergíasRenovables en España 2005-2010, realizado porel IDEA del Ministerio de Industria, Turismo yComercio.

El informe sobre la situación y perspectivas de losbiocarburantes en España, elaborado por laAsociación de Productores de Energías Renovables(APPA), indica que se incumplirá el objetivoeuropeo de alcanzar en 2005 un consumo debiocarburantes del 2% del mercado nacional degasolina y gasóleo para el transporte, y sólollegará al 0,8%2. El nuevo Plan de EnergíasRenovables para España, PER 2005-2010, anunciala puesta en marcha de medidas específicas paracorregir esta situación.

• Políticas de fomento de la innovación. Elcrecimiento económico y la competitividad pasanineludiblemente por la investigación, la tecnologíay la innovación. Por este motivo, la agendapolítica de los países líderes en el desarrolloeconómico y social incluye como prioridad laInvestigación y la Innovación.

En el Consejo Europeo de Lisboa, que tuvo lugaren 2000, se llegó al acuerdo de que Europa seríala economía basada en el conocimiento máscompetitiva y dinámica del mundo para el año2010. El éxito de dicha iniciativa, conocida comola Estrategia de Lisboa, estaba condicionado a uncrecimiento del 3%, y llevaría al pleno empleo.Sin embargo, y pasados cinco años, el Cuadro deIndicadores 2005 sobre Innovación en Europa3

pone de manifiesto la pérdida de eficiencia de la

economía europea respecto a sus competidores yseñala que, al ritmo actual de crecimiento, eltiempo de convergencia con Estados Unidos seríade 50 años.

En la actualidad España invierte en I+D el 1,05%del PIB, poco más de la mitad del promedio de laUE, con lo que al ritmo actual tardaríamos 20años en alcanzar dicho promedio. España seencuentra muy retrasada respecto a la mediacomunitaria y perdiendo posiciones en elrendimiento de la innovación. De hecho, se sitúaen el puesto 16 de los 25 Estados Miembros de laUnión Europea en materia de innovación; y en elpuesto 21 de la lista formada por los 25 estadosde la UE, EE.UU., Japón, Islandia, Suiza, Noruega,Turquía, Bulgaria y Rumania. A su vez, y a pesarde los buenos resultados económicos que sevienen registrando desde hace bastantes años, elnivel de innovación disminuye, lo cual seconvertirá en un problema a largo plazo.

Con el objeto de mejorar esta situación, elgobierno ha puesto en marcha el programaINGENIO 2010. Dicho programa supone uncompromiso que pretende involucrar al Estado, lainiciativa privada, la universidad y otrosorganismos públicos y de investigación, en unesfuerzo por impulsar el desarrollo científico ytecnológico en España. Entre sus objetivos para2010 se encuentran alcanzar el 2% del PIBdestinado a I+D, llegando al 55% de lacontribución privada en inversión en I+D, y al0,9% de la contribución pública en inversión enI+D. Para conseguirlo cuenta con tresinstrumentos que son CÉNIT, CONSOLIDER YAVANZ@.

CÉNIT tiene como objetivo aumentar lacooperación pública y privada en I+D+i;CONSOLIDER es una línea estratégica paraconseguir la excelencia investigadora aumentandola cooperación entre investigadores y formandograndes grupos de investigación; y AVANZ@ es elprograma para alcanzar la media europea en losindicadores de la Sociedad de la Información.

2 Una Estrategia de Biocarburantes para España (2005-2010).3 http://trendchart.cordis.lu/scoreboards/scoreboard2005.

• Competitividad. Según los datos de 2004, laEuropa de los 25 aglutina la tercera parte de laproducción química mundial, seguida por Asia(especialmente impulsada por el crecimiento deChina) y Estados Unidos.

La competitividad de la industria química europease encuentra en peligro debido a sus elevadoscostes de producción, como consecuenciaprincipalmente de las repercusiones del aumentodel precio del petróleo, el bajo crecimiento demercado y la deslocalización de las industriasclientes.

Según el Foro Económico Mundial, España hapasado del puesto 23 en el año 2004 al puesto 29en el año 2005 en el ranking del Crecimiento dela Competitividad. Muchos países asiáticos,lugares predilectos de la subcontratación para laindustria química, ya figuran claramente porencima de España, mientras que la gran mayoríade países de Europa del Este se sitúan por debajode España, si bien su tasa de crecimiento hacepensar que en el año 2006 y 2007 muchos deestos países adelanten a España en este ranking.El sector productivo español no se encuentra ensu mejor momento, algunas de las causasprincipales para perder competitividad industrialvan más allá del coste salarial, e incluyen un clarodéficit tecnológico y un coste energético alto. Enesta coyuntura, la Biotecnología aplicada a losprocesos industriales químicos y de generación deenergía debería dar sus frutos, sobre todo enaquellas naciones que hagan de esta nuevatecnología una ventaja competitiva.

Desde la Federación Empresarial de la IndustriaQuímica Española (FEIQUE), en colaboración conASEBIO, FEDIT y la Red OTRI de Universidades,se ha promovido la creación de la PlataformaTecnológica Española de Química Sostenible. Aligual que su homóloga europea (SUSCHEM), nacede la necesidad de asegurar la competitividad delsector en España a largo plazo, mediante lapromoción y ejecución de acciones innovadorasglobales de carácter estratégico. La Plataformapretende apoyar el éxito a largo plazo de laindustria química e industrias asociadas,proporcionando incentivos para la investigaciónquímica y la innovación, tanto en el ámbito de laindustria como del sector público. Para ello, sepretende establecer una red de alianzasestratégicas e intelectuales que acoja todo elproceso innovador (de la idea al mercado).

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La Biotecnología Industrial y Energética consisteen la aplicación de las herramientas de laBiotecnología para la producción sostenible decompuestos químicos, biomateriales ybiocombustibles, mediante el uso de células vivaso sus sistemas enzimáticos. Entre los principalesbeneficios que la Biotecnología puedeproporcionar, se encuentran la mejora de losmedios de producción, el desarrollo de nuevosproductos y la reducción del impacto ambiental delas actividades industriales.

En Europa actualmente cerca del 5% de losproductos químicos se obtienen medianteBiotecnología. La OCDE estimó que para el año2010 un quinto de la producción química podríaser traspasada a la Biotecnología Industrial y el60% de los productos de química fina podríanfabricarse por medio de herramientasbiotecnológicas4. Para 2010 se espera que enEuropa el 6% del combustible sea bioetanol, yque ciertos compuestos químicos esténcompuestos por sustancias biológicas en un 50%.No obstante, el cumplimiento de estas previsionesdepende en gran medida de factores como elprecio de la materia prima, la aceptación delconsumidor, así como las políticasgubernamentales e inversiones que lo soporten.En el caso del sector industrial y energético,teniendo en cuenta cómo se plantea el contextosocioeconómico, puede considerarse que su futuropasa por la Biotecnología.

Los objetivos de la aplicación de la Biotecnologíaen esos sectores se pueden resumir en lossiguientes:

• Aumento de la competitividad de la industriaquímica.

• Desarrollo de productos y procesos respetuososcon el medio ambiente.

• Desarrollo de procesos que permitan lautilización de materias primas alternativas a losproductos derivados del petróleo.

• Reducción de las emisiones de gases con efectoinvernadero.

• Desarrollo de tecnologías que permitan ladescontaminación.

• Desarrollo de alternativas al uso del petróleocomo fuente de energía.

Las biotecnologías disponibles para alcanzar estosobjetivos son las siguientes:

3.1. Tendencia tecnológica I

Biotransformación

Las enzimas son catalizadores de origenbiológico responsables de las reacciones químicasque tienen lugar dentro de los seres vivos.Presentan una alta especificidad, proporcionandouna capacidad de transformación altamenteselectiva y versátil, de gran impacto en el mundoquímico. La biocatálisis o biotransformación es elproceso por el cual se produce la conversión deun compuesto químico en otro, mediante el usode un catalizador de origen biológico obiocatalizador, que puede ser una enzima osistema enzimático aislado, o bien el orgánulo,célula o tejido completo en el que este sistema seencuentra.

Debido a su origen biológico, las enzimas actúanen medios acuosos, en condiciones suaves detemperatura y pH, por lo que no requieren el usode disolventes orgánicos potencialmentepeligrosos o contaminantes, ni grandes aportes deenergía necesarios para alcanzar temperaturaselevadas. En algunos casos, la producción deciertos compuestos por medio de tecnologíasenzimáticas puede llegar a minimizar elrequerimiento energético hasta un 60% ydisminuir el gasto de agua hasta el 80%5. Porejemplo, la fabricación de poliésteres y polímerosacrílicos utilizando procesos biocatalíticos basadosen la utilización de lipasas reducen la temperaturade reacción de polimerización de 200 ºC a 60 ºCy se elimina el uso de disolventes orgánicos. Encuanto a los residuos que se producen, suelen ser

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3. Entorno Tecnológico

4 Uptake of White Biotechnology by the Chemical Industry (McKinsey, 2001).5 Royal Belgian Academy Council of Applied Science (2004). Industrial Biotechnology and Sustainable Chemistry.

en cantidades relativamente pequeñas y ademásse trata de compuestos biodegradables quepueden ser reciclados o vertidos sin tratamientosexcesivos. La utilización de enzimas, por tanto,puede decirse que es un ejemplo de tecnologíaverde.

Las ventas de enzimas industriales en la actualidadalcanzan los 2.000 millones de dólares americanosanuales, con más de 500 productos para más de50 aplicaciones principales6. Aproximadamente el75% de estas enzimas son lo que se denominanenzimas técnicas, utilizadas en detergentes,industria textil, del procesado de almidón y en laproducción de alimentos y piensos. Se trataprincipalmente de enzimas hidrolíticas comoproteasas, amilasas, lipasas y celulasas. Existenotras enzimas “especializadas” que constituyen un10% del mercado cuyo uso se enmarca en eldesarrollo de nuevos fármacos, diagnóstico médicoy otros usos analíticos (ej. peroxidasas, esterasas,liasas y oxidoreductasas). De todas las enzimascomercializadas el 60% son producto de laBiotecnología moderna. Otras aplicaciones que seestán desarrollando son el uso de enzimas enproducción, degradación y biotransformación deproductos químicos, alimentos y piensos, productosagrícolas y textiles7.

Sin embargo, a pesar de sus extraordinariasposibilidades sintéticas, las enzimas en muchoscasos carecen de ciertas propiedades que resultanimprescindibles para su uso a escala industrial,como son elevada actividad, estabilidad encondiciones de reacción, ausencia de inhibicionespor sustratos o por productos, etc. En otroscasos, como las enzimas que se usan paradetergentes por ejemplo, se necesitan en grandescantidades, siendo necesario que su obtenciónsea económica. Por estos motivos, se haceimprescindible la utilización de las herramientasde ingeniería genética para obtener enzimas quepuedan ser utilizadas industrialmente.

Las técnicas de ADN recombinante permitenintroducir en un organismo material genéticoprocedente de otros, de modo que es posibleexpresar determinadas enzimas enmicroorganismos mediante cultivos celulares. Paraobtener una elevada producción de estas enzimasrecombinantes es necesario optimizar la expresión

mediante un diseño cuidadoso de los genes atransferir, utilizando promotores fuertes yterminadores eficaces, así como otras secuenciaspotenciadoras que aumenten la transcripción(enhancers). Estas estrategias se llevan utilizandovarios años con éxito, existiendo ejemplos comola primera enzima recombinante aprobada paradetergentes, una lipasa producida originalmentepor el hongo filamentoso Humicola lanuginosa delcual se aisló el gen y se transfirió a Aspergillusoryzae.

Otras técnicas de la ingeniería genética como lamutagénesis dirigida o el DNA shuffling (obarajeo de genes), han permitido obtenerenzimas hasta mil veces más estables que laenzima de partida, para determinados procesosindustriales en condiciones experimentalesdefinidas.

En la actualidad se está llevando a cabo unanueva revolución en el desarrollo de enzimas, quees la Evolución Dirigida. La Evolución Dirigidaconstituye una herramienta de la ingeniería deproteínas que consiste en la recreación enlaboratorio del proceso natural de evoluciónmediante la inducción de mutación y/orecombinación genética, de modo que se generevariabilidad. Una vez que esto ocurre seseleccionan aquellas enzimas que resultan másadecuadas y vuelven a someterse a un nuevociclo de “evolución”. El proceso se repite tantasveces como sea necesario, hasta que finalmentese obtienen las características deseadas. Medianteesta metodología se pueden diseñar funcionesenzimáticas nuevas que no habían sido requeridasen ambientes naturales, lo que permite obteneruna gama de enzimas que hasta ahora no seconocían.

Las principales contribuciones de la ingenieríagenética a la innovación en este campo son lareducción de los costes de fabricación, medianteel incremento en la expresión, y el desarrollo denuevas enzimas, así como la mejora de suspropiedades.

Por último, es necesario señalar el papelfundamental que tiene el descubrimiento denuevas enzimas de organismos no cultivables. Esconocido que la gran mayoría de los

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6 Xu, F. (2005). Applications of oxidoreductases: recent progress. Industrial Biotechnology, 1 (1), 38-50.7 Gavrilescu, M.; Chisti, Y. (2005). Biotechnology- a sustainable alternative for chemical industry. Biotechnology Advances,

23, 471-499.

microorganismos no son cultivables y muchos de ellos crecen poco, por lo que se hace necesario eldesarrollo de técnicas que permitan el aislamiento de nuevas enzimas procedentes de estos organismos sinnecesidad de cultivarlos. Posee gran interés el aislamiento de enzimas procedentes de microorganismos deambientes extremos de pH, temperatura, etc., capaces de actuar en estas condiciones, que seránfácilmente incorporables a procesos industriales.

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Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica I

• T1: Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.

• T2: Aislamiento, selección y mejora de cepas microbianas para biotransformación y bioproducción-explotación de la variabilidad natural.

• T3: Nuevos desarrollos tecnológicos para la inmovilización de enzimas y microorganismos.

• T4: Mejoras tecnológicas en la producción, purificación y estabilización de enzimas de usoindustrial.

• T5: Automatización en el descubrimiento, desarrollo y screening de actividad de nuevas enzimasy/o microorganismos.

• T6: Desarrollo de técnicas que permitan utilizar enzimas en medios no acuosos.

• T7: Nuevos procesos enzimáticos, microbianos o microbiológicos para biotransformación yproducción de compuestos químicos, compuestos quirales y polímeros.

• T8: Biocatálisis para la producción de productos farmacéuticos.

Los organismos vivos, ya sean hongos, levaduras,algas, plantas o incluso animales pueden dirigirsey especializarse a la producción de proteínas ometabolitos concretos que tienen aplicaciones enamplios sectores industriales. Las fuentestradicionales de materias primas para laproducción en sectores químico-industriales yenergéticos provienen por lo general de lapetroquímica, así muchos de los materiales ycombustibles que hoy en día utilizamos, y sin losque no podríamos entender las sociedadesmodernas, provienen del petróleo y susderivados. De cara al futuro, la producción demateriales y combustibles podrá realizarse através de materias primas biológicas, bienmediante producción al aire libre (ej. cultivos y plantas); en grandes fermentadores (ej. microorganismos); o en condiciones deconfinamiento (ej. insectos y animales).

Así por ejemplo, el precio y la limitadadisponibilidad de materias primas petroquímicas,junto con la necesidad de desarrollar materialesrespetuosos con el medio ambiente que sean

capaces de suplir nuevas necesidades, han llevadoal desarrollo de nuevos materiales poliméricos apartir de materias primas renovables, conpropiedades novedosas. Entre estas propiedades sepueden mencionar el desarrollo de materiales quepermitan liberación controlada de medicamentos,nutrientes o aromas, órganos híbridos artificiales,envases inteligentes, recubrimientos anti-ensuciamiento, superficies que permitan lainmovilización de enzimas o receptores, superficiesautolimpiables, etc.

Existen distintos ejemplos de polímeros fabricadosa partir de materias primas renovables como elalmidón o el ácido láctico. El ácido poliláctico(PLA) es un biopoliéster alifático producido a partirde monómeros de ácido láctico, que se obtienen apartir de la fermentación de azúcares de maíz,remolacha, caña de azúcar, etc. Es uno de lospolímeros con mayor potencial en la producción agran escala de materiales para envases basados enfuentes renovables. Presenta buenas propiedadesmecánicas, de apariencia y biodegradabilidad, peroaún necesita ser mejorado.

3.2. Tendencia tecnológica II

Bioproducción

Otro ejemplo es el desarrollo de una familia depolímeros fabricada a partir de 1,3-propanediol(PDO). Este compuesto se obtiene mediante unproceso de fermentación de azúcares procedentesdel maíz como materia prima, que permitiráreemplazar las materias primas petroquímicas enla producción de estos polímeros. En este caso nose trata de un polímero biodegradable, aunque seestá desarrollando un polímero similarbiodegradable para aplicaciones en productos querequieran esta propiedad, como es el caso defilms para empaquetar, etc.

Por último es importante introducir en estecapítulo el término de Biorrefinería, que hacereferencia a la conversión de biomasa (cultivosagrícolas) en una fuente de energía y decompuestos químicos de alto valor y que, encontraposición con las refinerías petroquímicastradicionales, genera pocos residuos y tiene bajosniveles de emisiones. Las biorrefinerías disponende tecnologías biológicas, químicas y físicas parael fraccionamiento de la biomasa, obteniendo alfinal del sistema de proceso, materiales útilespara infinidad de sectores: construcción,automoción, químico, textil, envasado… y muchos

otros. En este sentido, la Plataforma TecnológicaEuropea para la Química Sostenible ha publicadorecientemente un informe donde se prevé que enel año 2025 el 30% de la materia prima queutiliza la industria química provendrá de fuentesrenovables.

Si a lo largo de las próximas décadas se implantacon éxito en Europa el concepto de lasbiorrefinerías, podríamos asistir a un nuevomodelo de explotación para la agriculturaeuropea, en donde cultivos seleccionados omodificados genéticamente suministrarán materiaprima a biorrefinerías locales, del mismo modoque en el siglo XIX y parte del XX los productoresagrícolas suministraban materia prima a laindustria transformadora agroalimentaria local —al fin y al cabo, hoy en día, la producciónagrícola en muchas ocasiones está deslocalizadade las zonas de transformación alimentaria—. Deser cierto este escenario, la ubicación debiorrefinerías generará enormes oportunidades alas regiones y/o CC.AA. que favorezcan suimplantación, ya que todo el valor añadido de laproducción y la transformación se quedará en unamisma localidad.

14


Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica II

• T9: Ingeniería metabólica: aplicación de la biología de sistemas para la modelización y producciónde metabolitos concretos.

• T10: Desarrollo de nuevos procesos de producción de polímeros por medio de procesos químicostradicionales a partir de materias primas renovables (ej. glucosa).

• T11: Producción eficiente y rentable de plásticos y materiales biodegradables en microorganismosy/o plantas (ej. ácido poliláctico).

• T12: Desarrollo de métodos biotecnológicos para producir materiales de recubrimiento.

• T13: Desarrollo de tecnologías de producción de nanofibras de base biológica para aplicaciones enmateriales, fibras textiles y otros.

• T14: Identificación, aislamiento, purificación y expresión de enzimas industriales por tecnologías dealto rendimiento.

Las investigaciones tradicionales en BiologíaMolecular, que permiten conocer los procesos dela vida a nivel molecular, han ido avanzando demanera significativa, hasta el punto de que hoyen día se puede estudiar de forma conjunta ladotación genética de un organismo, su evolucióny su interacción con el medio ambiente. LaGenómica permite estos estudios holísticos, queaplicados a la Biotecnología industrial o energéticanos acerca a comprender los mecanismosmoleculares responsables de la transformación ola producción de cualquier producto de interés, ypor ende, a dirigir y optimizar dichos procesosindustriales. Las tendencias anteriormentedescritas de Biotransformación y Bioproduccióndependerán en gran medida de los desarrollosque la Genómica aporte en los próximos años.

Bajo el nombre genérico de tecnologíasgenómicas o de aplicación al estudio del genoma,incluimos todas aquellas disciplinas que estudianlos distintos productos resultantes de la expresiónde los genes, y que pueden ayudar a definir elestatus bioquímico de la célula u organismo deinterés industrial o energético. Estos productosincluyen todos los pasos subsiguientes en laexpresión génica como ARN, proteínas ymetabolitos. Así, a las áreas científicas queestudian el conjunto de dichos productos se lesdenomina Transcriptómica, Proteómica yMetabolómica respectivamente.

El conocimiento de la secuencia genética completay su representación en mapas genómicos es sinduda el primer paso para comprender las funcionesy los mecanismos de actuación de genes coninterés para su explotación en sectores industrialesy energéticos. Así por ejemplo, se han secuenciadoya parcialmente los genomas de bacteriasresponsables de:

i) la producción de nuevas celulasas (enzimas)capaces de convertir la biomasa en azúcar comoprecursor del bioetanol;

ii) la lixiviación del cobre para mejorar y optimizarla extracción biológica de este mineral;

iii) procesos industriales de transformación encondiciones de temperatura o pH extremos.

A principios del siglo XXI el coste medio desecuenciación de un genoma humano rondaba los24 millones de $, constituyendo el coste unabarrera casi infranqueable para aplicar genómicaa la Biotecnología industrial y energética. Sinembargo, hoy en día, en el año 2006, existetecnología que puede permitir una reducciónconsiderable de este coste por debajo del millónde $ o incluso algunas previsiones sitúan el costede secuenciación de un genoma completo en1.000$ para el año 2010, aunque estasprevisiones se antojan optimistas. En cualquiercaso, todos estos desarrollos para salud humanaconseguirán disminuir considerablemente loscostes de secuenciación de genomas bacterianosde interés industrial y energético.

Las grandes aplicaciones que se están viendofavorecidas por el desarrollo de la Genómica y elabaratamiento de la secuenciación de genomasson la Biología de Sistemas y la Biología Sintética.

La Biología de Sistemas busca la integración dediferentes niveles de información con el objetivode comprender cómo funcionan los sistemasbiológicos, a diferencia de la ciencia tradicional,que tan solo se centra en sus componentesmoleculares básicos. Así por ejemplo existendiversas empresas que a través de una extensabase de datos de diversos microorganismos (E. coli, S. cerevisiae y A. thaliana) han integradolos datos relativos a sus genomas, proteomas ymetabolomas, para obtener L-Metionina(suplemento alimentario en piensos animales)mediante el diseño de nuevas rutas biosintéticas.

La Biología Sintética consiste en la generación deorganismos nuevos, sintéticos, que dispongan delnúmero mínimo de genes para hacer las funcionesbásicas, más aquellos que nos interesen paraproducir o transformar productos industriales oenergéticos. El instituto de J. Craig Venter (líderdel proyecto privado de secuenciación delGenoma Humano) trabaja en la actualidad en eldiseño de bacterias genéticamente programadaspara degradar dióxido de carbono y otrassustancias tóxicas para el medio ambiente, asícomo para la producción de hidrógeno comofuente de energía.

15


3.3. Tendencia tecnológica III

Genómica

16


No cabe duda que una prioridad de la mayoría delas economías europeas y norteamericana radicaen la disminución de la dependencia energéticadel exterior y, en particular, del petróleo.

La utilización de biomasa como materia primapara la obtención de energía ofrece múltiplesventajas, principalmente debido a su bajo coste y asu disponibilidad. Se estima que la producciónmundial de biomasa anual es aproximadamente170 miles de millones de toneladas, de las cualestan solo un 7% se utiliza con fines energéticos.Actualmente la mayor parte de la biomasa que seusa para producción de energía se consume porcombustión directa, pero es posible obtener grandiversidad de productos que se adaptan a todos loscampos de utilización actual de los combustiblestradicionales, incluyendo la producción decombustibles sólidos, líquidos o gaseosos.

El pasado mes de diciembre de 2005 la ComisiónEuropea presentó el Plan de Acción sobre laBiomasa, en el que se establecen medidas paraincrementar el uso de la biomasa en tres sectoresque son calefacción, electricidad y transporte,junto con medidas transversales que se refierenal suministro de biomasa, financiación e

investigación en materia de biomasa. Dentro deeste plan de medidas destacan aquellasencaminadas a potenciar el uso de biocarburanteso biocombustibles, incluyendo la utilización desubproductos animales para la producción debiogás y biodiesel.

También es importante señalar que otra ventajaque presenta la utilización de biomasa en laproducción de biocombustibles es estimular laactividad económica en las zonas rurales, y enconcreto en las agrícolas y forestales. No cabeduda que muchos cultivos o tierras de labor quehoy en día se está pensando abandonar o nocultivar, debido a la nueva reforma de la PolíticaAgrícola Común (PAC), pueden encontrar unasegunda oportunidad como cultivos energéticos.Así lo pone de manifiesto el informe “UnaEstrategia de Biocarburantes para España (2005-2010)”, que indica la oportunidad que el sector delos biocarburantes representa para el tejidoagrario y la creación de puestos de trabajo.

Los biocombustibles líquidos o bicarburantes seobtienen por transformación de materias primasespecíficas procedentes del sector agrícola siendolos principales el bioetanol y el biodiésel.

Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica III

• T15: Secuenciación del genoma completo de microorganismos de interés industrial.

• T16: Realización de mapas genéticos de microorganismos de interés industrial.

• T17: Creación de bibliotecas genómicas funcionales de microorganismos de interés industrial.

• T18: Desarrollo de tecnologías que permitan la evolución dirigida de enzimas, genes y organismos(ej. molecular breeding y DNA shuffling).

• T19: Establecimiento de librerías de metagenomas microbianos para el desarrollo de nuevasenzimas y metabolitos.

• T20: Biología sintética: cromosomas artificiales que conforman microorganismos con aplicacionesindustriales y energéticas.

• T21: Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de laproducción y ensayos funcionales de alto rendimiento.

• T22: Sistemas de control de expresión de múltiples genes para ingeniería metabólica y producciónde sistemas enzimáticos complejos.

• T23: Nuevas herramientas de identificación de funciones y bioactividad enzimática a partir de laestructura tridimensional.

3.4. Tendencia tecnológica IV

Biocombustibles

El bioetanol es un alcohol que se producemediante fermentación a partir de cultivos decereales, remolacha, patata o caña de azúcar. Suuso permite sustituir parcial o totalmente a lasgasolinas o a los aditivos que se utilizan en losmotores de explosión para aumentar el índice deoctano. Entre las ventajas de su empleo seencuentran que es un producto soluble en agua,mucho más degradable que los hidrocarburos y suutilización supone evitar la emisión a la atmósferadel CO2 procedente del combustible fósilsustituido. Por cada litro de gasolina sustituido seevita la emisión de 1,85 kg de CO2 (incluyendo laemisión debida a la combustión directa así comola debida a los procesos de extracción, transportey refino). En la actualidad se está desarrollando laproducción de etanol a partir de materialescelulósicos, existiendo varias plantas piloto.Recientemente se ha anunciado la apertura enSalamanca de la primera planta de producción debioetanol a partir de celulosa, que se espera quesea operativa a finales de 2006.

El biodiésel se obtiene mediante latransesterificiación de aceites vegetales y de frituray se utiliza como sustituto del gasóleo deautomoción. En Europa la mayor parte de esteaceite proviene de colza, pero en otros paísestambién se utilizan soja, girasol, cacahuete opalma oleífera. Su fabricación es un procesosencillo que se realiza a temperatura moderada enpresencia de un catalizador. La utilización debiodiésel en lugar de gasóleo supone evitar laemisión a la atmósfera del CO2 procedente delgasóleo sustituido y se puede considerar que porcada litro de gasóleo reemplazado se evita laemisión de 2,38 kg de CO2, correspondientes a lacombustión directa del carburante y a los procesosde extracción, transporte y refino. Además de lareducción de emisiones de CO2, el biodiésel noemite dióxido de azufre y se reduce la emisión departículas, metales pesados, CO, COV y PAH.

La producción de biocarburantes en España seinició en el año 2000 con una planta de bioetanolconstruida en Cartagena y ha sufrido desdeentonces un incremento notable, contando afinales de 2004 con ocho instalaciones. Lacapacidad que presentan estas instalaciones es de415.000 toneladas de bioetanol y 322.000 debiodiésel.

En los próximos años es posible que a estosbiocombustibles se una el biobutanol. Se trata deun alcohol semejante al etanol que presenta lasventajas de tener menor presión de vapor ymayor tolerancia a la contaminación con agua de

las mezclas con gasolinas, lo que facilita sudistribución y almacenamiento. Se puede obtenera partir de las mismas materias primas que elbioetanol mediante la fermentación con labacteria Clostridium acetobutylicum.

El biogás procede de la digestión de la biomasa en condiciones anaerobias pormicroorganismos fermentadores del metano. Sucomposición es variable, pero está formadoprincipalmente por metano y CO2 y, en menorproporción, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno ytrazas de sulfuro de hidrógeno. Su poder caloríficoestá determinado por la concentración de metano,que puede aumentarse eliminando parte o todo elCO2 que lo acompaña. La ventaja que presenta laproducción de biogás es que como materia primapueden utilizarse residuos industriales ymunicipales, material orgánico procedente de laagricultura y ganadería, etc. No obstante,presenta algunas limitaciones, como elevadoscostes de producción y procesos de conversiónbiológica incompleta.

Por último se encuentra el hidrógeno,considerado actualmente como un “vectorenergético” similar a la electricidad, cuyacombustión produce agua y una gran cantidad deenergía (27 Kcal/g). La ausencia de producción degases invernadero en su combustión hace que seconsidere un combustible limpio. En la actualidadse extrae de productos derivados del petróleo,reformado de hidrocarburos y la electrolisis delagua, pero existe la posibilidad de obtenerlomediante reformado de biomasa o bioetanol.

Se están realizando investigaciones sobre laproducción biológica de hidrógeno pormicroorganismos. Existen determinadas algasverdes y cianobacterias capaces de fijar hidrógenoa partir de agua mediante un procesofotobiológico que no requiere biomasa comointermediario. Estos microorganismos poseenunas enzimas denominadas hidrogenasasbidireccionales que, bajo ciertas condiciones, soncapaces de usar los electrones involucrados en elproceso de fotosíntesis para reducir protones,generando hidrógeno molecular. La ventaja queposee esta alternativa es que la fuente deelectrones o poder reductor procede del agua,que es un sustrato limpio y, en teoría, inagotable.No obstante, es necesario continuar investigandocon el fin de determinar las condiciones óptimaspara obtener una eficiencia elevada y laposibilidad de reprogramar a estos organismoscon el fin de eliminar las pérdidas asociadas a lafijación de carbono y formación de biomasa.

17


18


Como se viene indicando a lo largo del informe, latendencia actual es reducir en la medida de loposible las emisiones y los vertidos de residuoscontaminantes. Sin embargo, este concepto no haexistido siempre, de modo que existen grancantidad de suelos, aguas y sedimentos que seencuentran contaminados por vertidosprocedentes de distintas industrias. El origen deesta contaminación es muy variado: desde unenriquecimiento en materia orgánica de cauces deríos por vertidos de industrias agroalimentarias(incluyendo explotaciones ganaderas y agrícolas),hasta la acumulación de compuestos tóxicos comometales pesados, hidrocarburos halogenados,pesticidas, fármacos, aceites minerales e inclusoradionucleidos, que pueden resultar muypersistentes. Muchas de estas sustancias seacumulan en los organismos vivos, pudiendopasar incluso a la cadena alimentaria, por lo queen muchos casos la importancia de su eliminaciónno es sólo medioambiental, sino que puede ser unasunto de salud pública.

El tratamiento de suelos contaminados es costosoy lento y, en muchas ocasiones, puede conllevarla inutilización del suelo en cuestión (tratamientosquímicos de inertización, lavado de suelos,soterramiento, etc.). La utilización demicroorganismos o plantas para realizar estostratamientos (biorremediación o fitorremediación)se plantea como una alternativa con menorescostes y menor impacto ambiental.

En función del compuesto que se desea eliminarpueden usarse distintos organismos y distintasestrategias. Existen microorganismos capaces dedegradar compuestos de difícil eliminación, ometabolizar ciertos compuestos tóxicos,

produciendo otros con menor toxicidad o inclusoinocuos. Estos tratamientos pueden realizarse in situ o bien ex situ, mediante el uso dereactores. En otras ocasiones, cuando uncontaminante no puede degradarse, se recurre asu bioacumulación en los tejidos de plantas omicroorganismos. La eliminación posterior de labiomasa generada en estos sustratos permite ladescontaminación de los mismos.

Existen diferentes proyectos que han permitidodesarrollar productos biológicos formulados conmicroorganismos naturales destinados a labiorremediación de aguas y suelos contaminados.Algunos ejemplos de tratamientos son lareducción del contenido de amonio en efluentesmediante la utilización de cepas de Nitrosomonasy Nitrobacter o la degradación de grasas,proteínas y azúcares mediante la utilización decepas de los géneros Azotobacter, Bacillus,Pseudomonas y Chaetomium. En España existenempresas que poseen distintos productos de estetipo, incluyendo detergentes biológicos dehidrocarburos, desengrasantes y desatascadoresbiológicos de grasas, así como productos para eltratamiento biológico de fosas y tratamientobiológicos inodoros.

Un proyecto interesante en este campo ha sido eltratamiento de las playas de la costa asturianacontaminadas por el fuel del Prestige, medianteinoculación de varias cepas de los génerosCorinebacterium y Pseudomonas sobre sustratosrocosos impregnados con fuel. Dichas cepasfueron aisladas previamente del entornocontaminado y producidas en fermentadores aescala semi-industrial. Como resultado de estaactuación se ha podido confirmar una reducción

3.5. Tendencia tecnológica V

Biotecnología ambiental

Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica IV

• T24: Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.

• T25: Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para laproducción de biocombustibles.

• T26: Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de transformación para la producción debiocombustibles a partir de materias residuos orgánicos.

• T27: Producción biológica de hidrógeno.

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de más del 50% de distintas fracciones de fuelcontaminante en un periodo de 15 días.

Otro problema medioambiental que presenta unaimportancia enorme es el de las emisiones degases relacionados con el efecto invernadero. Eldióxido de carbono es un gas con un importanteefecto invernadero cuyas emisiones hanaumentado de manera considerable, debidoprincipalmente a la acción del hombre. En esperade tecnologías limpias de combustión para loscombustibles fósiles que no emitan gasescontaminantes, se hace necesario el desarrollo detecnologías de captura, transporte yalmacenamiento para el CO2 que permitaneliminar al menos una parte de los gases que se

están emitiendo en la actualidad. La posibilidadde incrementar la retención de CO2 en sistemasbiológicos, en sedimentos o en océanos,constituye una aproximación muy importante parasolucionar estos temas. La Biotecnología podríaaportar ciertas “soluciones”, como el desarrollo deplantas que acumulasen biomasa en sistemasradiculares o mejora del proceso fotosintético ensí mediante la mejora de la eficiencia de laenzima rubisco, responsable de la fijación del CO2

durante la fotosíntesis. Además, la Biotecnologíaconstituye una herramienta esencial para podercomprender las relaciones complejas que existenen las comunidades marinas, que permitiríandesarrollar enfoques respetuosos con estosecosistemas.

Tecnologías pertenecientes a la tendencia tecnológica V

• T28: Remediación y depuración biológica con plantas: recuperación de iones metálicos, reducciónde emisiones de gases contaminantes, biodegradación de pesticidas y contaminantesorgánicos y tóxicos.

• T29: Remediación y depuración biológica con microorganismos: recuperación de iones metálicos,reducción de emisiones de gases contaminantes, biodegradación de pesticidas ycontaminantes orgánicos y tóxicos.

• T30: Desarrollo de tecnologías biológicas avanzadas que mejoren o aumenten los procesosnaturales de captura de CO2 (ej. sistemas biológicos de diseño, especies fotosintéticas).

• T31: Desarrollo de tecnologías de desulfuración y desnitrogenación de combustibles basadas enmicroorganismos y enzimas específicas.

3.6. Otras tecnologías

Por último, es necesario señalar otras tecnologíasque jugarán un papel importante en los próximosaños, y cuyo desarrollo influirá sobre lastendencias anteriores.

A lo largo de la realización de este estudio se hanidentificado tres áreas tecnológicas de especialinterés para la Biotecnología industrial yenergética: cambios de escala en la producciónindustrial, nanotecnología y extracción demetabolitos y compuestos activos.

Los cambios de escala en la producción industrialson indispensables para reproducir las condicionesde laboratorio o planta piloto en una planta deproducción industrial. En este sentido el desarrollode modelos cinéticos predictivos delcomportamiento de microorganismos, la

simulación de procesos completos o laautomatización de las condiciones de cultivo sonáreas de especial interés para el futuro.

La Nanotecnología constituye en la actualidad unode los campos de investigación másprometedores. Los conceptos de Nanociencia yNanotecnología engloban el estudio, obtención ymanipulación de materiales, sustancias ydispositivos en la escala nanométrica. Se trata deun campo de investigación multidisciplinar queincluye áreas como la física, química o laingeniería, pero también otras como la biología, lamedicina o el medio ambiente. Sus posiblesaplicaciones se consideran enormes, ya que laNanotecnología tiene cabida en prácticamentecualquier campo que se pueda imaginar, pero esnecesario tener un conocimiento más profundo de

20


lo que ocurre en este nivel nanométrico paraconseguir su materialización. En el ámbitobiotecnológico se podrían señalar laadministración de fármacos in situ, lamonitorización de parámetros biológicos, eldesarrollo de dispositivos de control de sustanciascombinando el desarrollo de nanomateriales conmoléculas de origen biológico (o biotecnológico).

Por último, es importante señalar que el campo de la extracción de metabolitosmicrobianos y de extracción de compuestosactivos vegetales ha experimentado unimportante auge en la última década, empujada

sin duda alguna por los alimentos funcionales olos productos de dietética y herboristería. Laextracción y purificación de estos metabolitos ocompuestos activos acarrea la utilización detecnologías químicas, físicas y biológicas,embebidas en sistemas de procesos operativosindustriales, que se mejoran y optimizan día adía. Así por ejemplo: en Murcia, del residuo decosecha de la alcachofa se extrae y purificaperoxidasa (enzima de uso en diagnóstico) einulina (oligosacarido de uso en alimentosfuncionales); y en Madrid, se extrae ycomercializa internacionalmente vitamina E defuentes naturales para enriquecer alimentos.

Otras tecnologías

• T32: Desarrollo y empleo de modelos cinéticos altamente descriptivos para el crecimiento y producción de microorganismos, incluida la simulación de procesos.

• T33: Mejoras y automatización en la medición y control de las condiciones de cultivo y producción(ej. transporte y consumo de oxígeno).

• T34: Estudios de estrés en microorganismos (ej. estrés hidrodinámico).

• T35: Convergencia de la bionanotecnología para el desarrollo de múltiples dispositivos.

• T36: Nuevos desarrollos biotecnológicos para la extracción de metabolitos microbianos y compuestos activos vegetales.

A partir de las tecnologías que el panel de expertos(ver Anexo III) consideró más relevantes para eldesarrollo de la Biotecnología en los procesosindustriales y de producción de energía, se realizóun cuestionario que se envió a investigadores delámbito público, así como a representantes delsector industrial. Este cuestionario está diseñadode modo que permita valorar las distintastecnologías en cuanto a su grado de importancia, a

su posición competitiva frente a diversos factores ya la fecha de materialización (ver Anexo IV). Paraevaluar el peso de las opiniones de cadaparticipante se ha incluido una pregunta inicial deautoevalución sobre el grado de conocimiento queposeen sobre cada tecnología.

A continuación se incluyen los resultadosobtenidos.

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4. Resultados de la encuesta

51%Universidad

24%Centro I+D

3%Centro

tecnológico

8%Empresa

industrial/energética

13%Empresa

tecnológica

1%Otros

PORCENTAJE DE PARTICIPACIÓN POR PROCEDENCIA PROFESIONAL

El análisis estadístico general queda de la siguiente manera:

• Número de cuestionarios enviados: 254.

• Número de cuestionarios respondidos: 71.

• Tasa de respuesta del cuestionario: 28%.

Distribución de la participación

Los cuestionarios recibidos proceden de investigadores y expertos en el campo de la Biotecnologíaorientada a los procesos industriales y la producción de energía, pertenecientes a universidades, centrostecnológicos y de I+D y empresas, tanto industriales como tecnológicas.

La distribución de la participación por tipo de centro tiene una distribución polarizada: la mitad de lasrespuestas corresponden a universidades, y la otra mitad a centros de I+D y empresas, que contribuyencon prácticamente un cuarto de las respuestas cada uno de ellos. Es importante señalar que en este casola respuesta obtenida del sector industrial, es muy superior a la obtenida para realizar los informes delimpacto de la Biotecnología en otros sectores como el agrario y sanitario.

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15%Cataluña

10%Murcia

10%Valencia

17%Resto

10%Asturias

11%Andalucía

27%Madrid

PORCENTAJE DE PARTICIPACIÓN POR COMUNIDAD AUTÓNOMA

Más del 80% de los cuestionarios recibidos corresponden a las comunidades autónomas de Madrid, Cataluña,Andalucía, Asturias, Murcia y Valencia, presentando las cuatro últimas un índice de participación muy similar.

La distribución de participación por comunidad autónoma es similar a la distribución del envío de loscuestionarios.

AUTOEVALUACIÓN: NIVEL DE CONOCIMIENTO SOBRE LAS TECNOLOGÍAS ENCUESTADAS

0%

10%

20%

30%

40%

50%

BajoMedioAlto

32,76

45,53

21,71

Nivel de conocimiento de los encuestados

El cuestionario sobre tecnologías se inicia con una primera pregunta de autoevaluación, que permiteestablecer el nivel de conocimiento de los encuestados. En concreto, el 55% de los expertos encuestadosdeclaró tener un conocimiento alto o medio de las tecnologías, mientras que el 45% declaró disponer de unconocimiento bajo. El alto numero de respuestas con nivel de conocimiento bajo podría dar lugar adesviaciones altas, en las respuestas dentro de una misma tecnología, sin embargo y como se observará alo largo de los próximos gráficos, estas desviaciones no han sido significativas.

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Tecnologías con mayor nivel de conocimiento declarado por los encuestados


• T2: Aislamiento, selección y mejora de cepas microbianas para biotransformación ybioproducción-explotación de la variabilidad natural.



• T16: Realización de mapas genéticos de microorganismos de interés industrial.

La distribución de la respuesta sobre el nivel de conocimiento tecnológico por tendencias tecnológicas,pone de manifiesto que en todas éstas se sigue una distribución parecida, salvo en biotransformación, endonde la respuesta de conocimiento medio es la primera elección.

Alto Medio Bajo

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Otras tendenciasBiotecnologíaambiental

BioenergíaGenómicaBioproducciónBiotransformación

24,13

40,60

35,27

61,11

41,53 40,20

48,00

55,42

22,57

30,99

37,7535,00

28,51

16,32

27,48

22,06

17,00 16,06

AUTOEVALUACIÓN: NIVEL DE CONOCIMIENTO SOBRE LAS TECNOLOGÍAS(Organizado por tendencias tecnológicas)

24


Grado de importancia de las tecnologías

En la encuesta de tecnologías críticas, y después de la autoevaluación del encuestado, la primera preguntaes el grado de importancia de las tecnologías, pudiendo ser alto, medio, bajo o irrelevante. Como resultadoa esta pregunta es importante señalar el alto grado de importancia cosechado, ya que más del 90% de lasrespuestas inciden en la trascendencia (importancia alta y media) de las 36 tecnologías encuestadas.

Tecnologías con mayor grado de importancia




• T7: Nuevos procesos enzimáticos, microbianos o microbiológicos para biotransformación yproducción de compuestos químicos, compuestos quirales y polímeros.


IMPORTANCIA DE LAS TECNOLOGÍAS(% respuesta)

Todas las respuestas Sólo respuestas conconocimiento alto y medio

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Bajo IrrelevanteAlto Medio

53,26

62,95

35,9731,52

9,465,24

1,32 0,30

25


Posición competitiva de España

La siguiente pregunta, en el cuestionario de tecnologías críticas, consistía en valorar, por su posición competitiva,una serie de factores que inciden de manera directa en dicha competencia y que incluyen los siguientes:

• Conocimiento científico.

• Conocimiento tecnológico.

• Presencia industrial.

• Recursos humanos.

• Recursos económicos.

• Equipamientos en red/servicios.

• Legislación.

Como resultado de esta evaluación, el 75% de los encuestados han mostrado que la posición competitivade España, medida por los factores enumerados con anterioridad, es menos ventajosa o claramentedesaventajada frente a sus competidores o rivales. Los factores competitivos mejor valorados son elconocimiento científico, el conocimiento tecnológico y los recursos humanos, por orden de valoraciónpositiva. Mientras que los factores competitivos peor valorados son los recursos económicos, la presenciaindustrial y los equipamientos en red y/o servicios y la legislación, por orden de valoración negativa.

POSICIÓN COMPETITIVA DE ESPAÑA(% respuesta)

Todas las respuestas Sólo respuestas con conocimiento alto y medio

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

DesaventajadaMenos ventajosa

Más ventajosaAltamenteventajosa

3,06 4,02

18,41

23,17

50,6949,24

27,83

23,56

Tecnologías con mayor grado de competencia






En este contexto, es importante señalar que el conocimiento científico es el único factor competitivo, de losanalizados, que cosecha más respuestas positivas que negativas a su posición competitiva. Este hechorefuerza la idea de que cualquier acción encaminada a mejorar nuestra capacidad competitiva enBiotecnología industrial energética, debe pivotar sobre los investigadores. La posición competitiva deEspaña por factores, se representa en el siguiente gráfico8.

26


8 Para la representación gráfica de la posición competitiva por factores se ha considerado que la posición ventajosa es lasuma de las respuestas altamente ventajosa y más ventajosa que competidores, mientras que la posición desventajosaes la suma de las respuestas menos ventajosa que competidores y netamente desaventajada. Para este cálculo sólo sehan utilizado las respuestas de aquellos encuestados que se han autoevaluado con conocimiento alto y medio para cadatecnología en cuestión.

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Recursos económicos

Presencia industrial

Equipamiento en red y servicios

Legislación

Recursos humanos

Conocimiento tecnológico

Conocimiento científico

POSICIÓN COMPETITIVA DE ESPAÑA(% respuestas por factores)

Posición ventajosa Posición desventajosa

58,89

41,11

37,7762,23

28,8971,11

23,0576,95

18,2281,78

13,4386,57

10,0989,91

27


Fecha de materialización de las tecnologías

Por último, el cuestionario solicita una estimación razonable del tiempo de materialización o realización decada tecnología en concreto, pudiendo posicionarse el encuestado en cuatro horizontes temporales: 2005-2010: 2010-2015; 2015-2020; y >2020. Según los expertos consultados la gran mayoría de lastecnologías se materializarán a lo largo del primer periodo de tiempo, 2005-2010, quedando algunarelegada para el segundo y tercer periodo de tiempo, 2010-2015 y 2015-2020, y tan sólo una tecnología,la producción biológica de hidrógeno, para el último periodo de tiempo, >2020.

FECHA DE REALIZACIÓN(% respuesta)

Todas las respuestas Sólo respuestas con conocimiento alto y medio

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

>20202015-20202010-20152005-2010

41,13

50,11

39,0437,21

13,83

8,935,98

3,76

Tecnologías con mayor grado de proximidad



• T2: Aislamiento, selección y mejora de cepas microbianas para biotransformación ybioproducción-explotación de la variabilidad natural.





28


5. Selección de tecnologías críticas

A continuación se procede a realizar la selecciónde las tecnologías críticas de entre las 36encuestadas, y para ello se realiza un sencilloejercicio que consiste en valorar cada una de lastecnologías en función de tres parámetrosbásicos: la importancia, las capacidades y laproximidad temporal. Cada uno de estosparámetros se ha normalizado en base a lasrespuestas obtenidas en el cuestionario, si bieneliminando aquellas respuestas donde elencuestado se declara con bajo conocimientosobre esta tecnología. Así pues a todas y cadauna de las tecnologías se les asigna tres índices(ver Anexo V):

Índice del Grado de Importancia (IGI).

Índice del Grado de Capacidades (IGC).

Índice del Grado de Proximidad Temporal (IGP).

La utilización de estos índices permite larepresentación cartesiana de la posición en que seencuentran las 36 tecnologías encuestadas: en el

eje vertical se encuentra la importancia, en el ejehorizontal las capacidades y por último, eldiámetro de la burbuja indica la proximidadtemporal. Si sobre esta representación trazamosuna línea horizontal sobre la media de laimportancia y una línea vertical sobre la media decapacidades, queda el gráfico dividido en cuatrocuadrantes, siendo el cuadrante superior derechoel que incluye las tecnologías críticas. Repitiendoeste ejercicio en dos ocasiones se puede llegar aidentificar un número reducido de tecnologías“supercríticas”. Por último citar que el resultadode este ejercicio se puede modular por dos vías:a través del diámetro de las burbujas, pues sialguna tecnología con alta proximidad (grandiámetro de burbuja) se encuentra fuera delcuadrante de tecnologías críticas, se puedereconsiderar su inclusión; y también puedemodularse con el Panel de Expertos, pues sialguna tecnología de gran interés queda fuera delcuadrante de tecnologías críticas, dicho panelpuede recomendar reconsiderar su inclusión en elgrupo de tecnologías críticas.

Tecnologías críticas










Además, en esta selección de tecnologías se incluirán dos más que el panel de expertos consideró derelevancia. Se trata de las tecnologías número 22 y 35.

• T22: Sistemas de control de expresión de múltiples genes para ingeniería metabólica y producciónde sistemas enzimáticos complejos (Biología de Sistemas).


29


1,70

3

3,2

3,4

3,6

3,8

4

1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50

ANÁLISIS CRUZADO PARA LA SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS CRÍTICAS I

Capacidades

Imp

ort

an

cia

T29

T2

T7

T14T21

T4T26 T8

T25

T24 T9T36

T3

T15

T1T22

T28

T30

T23

T17

T33

T31T18 T19

T6

T5T27

T35

T32

T34T20T13

T12

T16

T11

T10

2,00

3,55

3,6

2,05 2,10 2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45

3,7

3,8

3,9

Capacidades

Imp

ort

an

cia

T14

T21

T7

T26

T8

T25

T24

T4T1

T2T22

T15T28

T30

T36

T29

T3 T9

ANÁLISIS CRUZADO PARA LA SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS CRÍTICAS II

30


Tecnología crítica I

Nuevas enzimas

Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimas con múltiples aplicaciones.

VALORACIÓN GLOBAL

POSICIÓN COMPETITIVA

3,67

3,54

Media T1

2,09

3,62

2,162,04

1,951,88

1,561,83

2,332,25

1,58

2,162,37

2,912,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T1

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

6. Fichas tecnológicas

31


Descripción

El uso de enzimas como biocatalizadores en procesos de síntesis, transformación y degradación deproductos químicos es una tecnología metodológicamente establecida que se presenta como unatendencia de futuro en la industria química, farmacéutica, alimentaria, etc., debido a las propiascaracterísticas de especificidad y eficiencia de la catálisis enzimática y, sobre todo, por tratarse de unatecnología limpia, de baja demanda energética y no agresiva con el medio ambiente. Esta áreatecnológica permite tanto el descubrimiento de nuevas enzimas, ya presentes en la naturaleza, comorediseñar nuevas enzimas con nuevas propiedades, de actividad o funcionalidad, utilizando en estosúltimos las herramientas de evolución dirigida e ingeniería de proteínas.

Aplicaciones

Si bien ya se dispone de determinadas enzimas industriales (especialmente hidrolasas), con aplicacionesen detergencia, procesado de alimentos, degradación de biomasa, pulpa de papel, etc., todavía sonpocos los procesos enzimáticos en química transformadora adaptados al uso industrial. Algunas de estasnuevas aplicaciones incluyen la síntesis de productos químicos tanto en química de base como enquímica fina (ej. uso de esterasas en mezclas racémicas); producción de nuevos materiales ycompuestos de interés industriales (ej. biopolímeros); y producción de biocombustibles, entre otras. Unbuen ejemplo en esta área son las lipasas, que han sido mejoradas por mutagénesis dirigida y que sonutilizadas para la síntesis de tensioactivos, resolución de mezclas racémicas o el curado de quesos.

PosiciónExcelente conocimiento científico a nivel nacional si bien la poca presenciaindustrial y la falta de recursos económicos no han permitido el desarrollotecnológico, hasta la fecha.

VentajasGran interés en el sector de la Biotecnología Industrial para sustituir o adaptarprocesos químicos convencionales por procesos enzimáticos como tecnologíaslimpias. España dispone de un buen conocimiento científico en esta área.

Limitaciones

A pesar de existir una fuerte demanda por este tipo de tecnología en sectorestradicionales como el textil, papelero, curtido, farmacéutico, materiales… enEspaña disponemos de poca capacidad tecnológica (ej. plataformas de HighThroughput Screening) para satisfacer esta demanda.

MedidasFomentar proyectos conjuntos entre empresas y grupos de investigación para eldesarrollo de aplicaciones concretas.

Indicadoresde seguimiento

Principalmente patentes españolas, además de proyectos de I+D ypublicaciones.

Fechade materialización

2005-2010.

32


Tecnología crítica II

Inmovilización de enzimas

Desarrollos tecnológicos para la inmovilización de enzimas y microorganismos.

VALORACIÓN GLOBAL


3,62

3,54

Media T2

2,13

3,71

2,042,04

1,831,88

1,781,83

2,222,25

1,78

2,412,37

2,862,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T2

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

33


Descripción

La inmovilización de enzimas y microorganismos consiste en la reducción de los grados de libertad demovimiento de los mismos mediante su unión a un soporte, su atrapamiento en una matriz o suadsorción sobre una superficie. La inmovilización de enzimas permite la obtención de derivadosenzimáticos más estables que la enzima en disolución que, además, pueden ser reutilizados, fácilmenteseparados de los productos del componente catalítico y permiten un diseño y control más sencillo de losmismos, ya que pueden asimilarse a catalizadores químicos. En el caso de los microorganismos suinmovilización en soportes adecuados permite separar la biomasa celular catalítica de la fase quecontiene los sustratos y productos, así como desacoplar el crecimiento microbiano de los procesos.

Aplicaciones

Utilización de enzimas inmovilizadas:

Producción de L-aminoácidos, mediante el uso de L-aminoacilasa; producción de jarabes de fructosamediante glucosa isomerasa; e hidrólisis de lactosa en leche mediante β-galactosidasa, entre otros.

Utilización de microorganismos:

Producción de etanol mediante células inmovilizadas de Saccharomyces; y producción del aminoácido L-aspártico, entre otros.

PosiciónTal y como refleja el gráfico de posición global, la proximidad temporal de estatecnología es más que inminente, es ya una realidad.

VentajasSe dispone de buen conocimiento científico y tecnológico. Es la únicametodología para desarrollar procesos industriales catalizados por enzimas, porlo que se considera insustituible.

Limitaciones Apenas se dispone de empresas que desarrollen esta tecnología.

Medidas Incentivar el escalado de la tecnología a nivel industrial y su implantación.


Seguir los procesos industriales en curso o en desarrollo.


2005-2010.

34


Tecnología crítica III

Optimización de enzimas industriales

Mejoras tecnológicas en la producción, purificación y estabilización de enzimas de uso industrial.

VALORACIÓN GLOBAL


3,67

3,54

Media T3

2,16

3,77

2,302,04

1,791,88

1,801,83

2,182,25

1,80

2,432,37

2,832,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T3

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

35


Descripción

La optimización de enzimas industriales tiene como objetivo principal mejorar los rendimientos, loscostes y las condiciones de trabajo de estos biocatalizadores. En principio, los esfuerzos se dirigen amejorar tres aspectos concretos: la producción, la purificación y la estabilización. En materia deproducción se están haciendo importantes avances para aumentar el grado de expresión de la proteínaobjetivo por encima de 100 mg/l de cultivo. Para conseguirlo en la actualidad se utilizan nuevos vectorespara expresión heteróloga mucho más eficientes y que pueden ser utilizados en una gran batería dehuéspedes, en concreto bacterias u hongos/levaduras (estreptomicetos, rodococos, pseudomónadas,Pichia pastoris…) que a su vez han sido especialmente elegidos, mediante selección genética omodificación genética, para obtener altos rendimientos y/o actividades enzimáticas.

Aplicaciones

La obtención de enzimas más o menos purificadas (en función de su aplicación) a unos precios entre 5 y10 veces menores que los actuales, permitirá la industrialización de procedimientos alternativos a lossolamente físico-químicos, en los que uno o varios pasos sean realizados con catalizadores biológicos.Con dichos avances, las enzimas son y serán ampliamente utilizadas en una gran variedad de procesosindustriales, incluyendo agroalimentación (síntesis de alimentos nutricionales como vitaminas ytriglicéridos estructurados, o funcionales como prebióticos, flavonoides, esteroides, ácidospoliinsaturados), química verde, biorremediación y biodesulfuración de petróleo, entre otras.

PosiciónLa proximidad temporal es la más alta, se trata pues de una tecnología actualsusceptible de mejoras puntuales que redunden en mayor eficiencia.

VentajasEn España disponemos de un buen conocimiento científico y tecnológico, asícomo de un marco legal y reglamentario favorable.

LimitacionesLa escasez de presencia industrial, de recursos económicos y de infraestructurasque puedan utilizarse en colaboración o régimen de servicio, lastra de manerasignificativa el desarrollo de esta área tecnológica.

MedidasProgramas y fondos públicos y/o privados tanto a las Empresas de Biotecnologíapara que sean competitivas, como para la formación de spin-offs.


Seguir la diseminación de resultados de investigación (patentes, publicaciones, informes).


2005-2010.

36


Tecnología crítica IV

Bioproducción de fármacos

Biocatálisis para la producción de productos farmacéuticos.

VALORACIÓN GLOBAL


3,68

3,54

Media T4

2,30

3,43

2,092,04

2,081,88

1,891,83

2,322,25

2,14

2,662,37

2,932,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T4

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

37


Descripción

El uso de biocatalizadores en la preparación de fármacos es un proceso extraordinariamente simple,especialmente cuando se usan enzimas hidrolíticas (ej. lipasas). En los últimos años han mostradoutilidad para la preparación de compuestos quirales de manera enantiopura. Los compuestos quirales secaracterizan por la presencia de uno o varios átomos, denominados asimétrico o quiral, unido a cuatrogrupos distintos. Dichos grupos pueden adoptar distintas posiciones en el espacio dando lugar acompuestos que pueden presentar distintas propiedades químicas o biológicas, pudiendo ser activosambos compuestos, sólo uno de ellos o incluso tener actividades distintas, así como distinta toxicidad.La importancia de los enantiómieros en la industria farmacéutica es conocida desde que se descubrieronlos efectos teratógenos de uno de los enantiómeros de la talidomida en los años 60.

Aplicaciones

A título de ejemplo se pueden destacar la aplicación en las siguientes familias de fármacos:

• Preparación del isómero más activo en antiinflamatorios no estereoideos.

• Síntesis de antibióticos, especialmente de penicilinas y cefalosporinas.

• Resolución enzimática de algunas dihidropiridinas, que son antagonistas de calcio.

• Preparación del enantiómero más activo de derivados adrenérgicos.

• Síntesis de algunos aminoácidos presentes en fármacos.

• Síntesis de intermedios quirales para la preparación de algunos antidepresivos.

Posición

La valoración global de esta tecnología es superior a la media de las tecnologíasseleccionadas. Todos los parámetros que se tienen en cuenta para evaluar lacapacidad son superiores a la media de las tecnologías seleccionadas, enespecial el conocimiento científico y tecnológico y la presencia industrial.

Ventajas

El uso de catalizadores metálicos conlleva a la obtención de productos menospuros, y en algunos campos, como en química farmacéutica, es fundamental noarrastrar residuos contaminantes en el producto final. Esta tecnología permitesustituir procesos industriales, buscar nuevos nichos de mercado y cumplir conlos nuevos marcos legislativos (ej. REACH).

LimitacionesLa biocatálisis y la bioproducción farmacéutica complementan o inclusosustituyen procedimientos tradicionales, por lo que la barrera cultural es enocasiones limitante en la implantación de esta tecnología.

MedidasFacilitar la colaboración entre empresas farmacéuticas y tecnológicas con gruposde investigación. Los grupos de investigación podrían ayudar a identificar nuevascepas microbianas y las empresas a caracterizar y optimizar enzimas.


Comprobar el número de patentes de procesos biocatalíticos que estándesplazando a los procesos químicos cuando expira la patente.


2005-2010 (en los próximos años asistiremos a una optimización de esta tecnología).

38


Tecnología crítica V

Alto rendimiento en producción enzimática

Identificación, aislamiento, purificación y expresión de enzimas industriales por tecnologías de altorendimiento.

VALORACIÓN GLOBAL


3,84

3,54

Media T5

2,10

3,46

1,692,04

1,911,88

1,831,83

2,332,25

1,88

2,322,37

2,752,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T5

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

39


Descripción

El creciente uso de enzimas en procesos industriales desde hace más de dos décadas revela un éxitoque ha hecho cada vez más interesante revisar procesos químicos por si pudiera existir una alternativacatalizada enzimáticamente. Por tanto, la búsqueda de nuevas enzimas desde la vasta diversidadnatural, proyectos genomas o por la misma evolución dirigida in vitro de enzimas conocidas, es un áreade gran interés industrial. En este contexto, la necesidad de ser competitivos produciendo yseleccionando nuevas enzimas en el menor tiempo posible hace normal que la automatización (High Throughput) cobre un protagonismo al mejorar el rendimiento y acelerar el proceso de laidentificación, producción y purificación de nuevas enzimas.

Aplicaciones

Los procedimientos de automatización de identificación y producción enzimatica se aplican ya poralgunas empresas industriales y/o tecnológicas para satisfacer múltiples demandas industriales, como laproducción de biocombustibles o el blanqueo del papel. La proteasa subtilisina, que representa el 35%del mercado de enzimas industriales, tiene patentes con reivindicaciones que cubren sus 275aminoácidos y variantes, ya que se han realizado múltiples mutantes de esta enzima, de maneraautomatizada que cubren aplicaciones tan diversas como los detergentes y el tratamiento facial.

PosiciónImportancia y proximidad temporal por encima de la media, siendo la segundatecnología más importante. Capacidades ligeramente inferiores a la mediadebido principalmente a la baja puntuación obtenida en legislación.

VentajasLa principal ventaja reside en el conocimiento acumulado por los investigadoresde universidades y centros públicos, así como la buena formación de todo elpersonal científico.

LimitacionesNo existe suficiente base teórica para predecir cuál es el sistema de expresión ypurificación más apropiado para cada secuencia polipeptídica, si bien muchos deellos necesitan de tecnología transgénica de alto coste de implementación.

Medidas

Proyectos y redes de investigadores multidisciplinares para el uso de equiposautomatizados, contando con empresas interesadas tanto como proveedorescomo desarrolladores de nuevas tecnologías. Formación de ingenieros enbiotecnología y promover la generación de spin-offs desde grupos de I+D.


Patentes, artículos científicos, instalación de equipos de automatización demanejo de microorganismos. Contratos firmados por los suministradores deservicios. Creación de nuevas empresas relacionadas con la producción ypurificación de nuevas enzimas.


2006-2010.

40


Tecnología crítica VI

Escalado industrial de la producción

Sistemas de expresión y purificación de proteínas que permitan el escalado eficiente de la producción yensayos funcionales de alto rendimiento.

VALORACIÓN GLOBAL


3,81

3,54

Media T6

2,17

3,48

2,152,04

1,941,88

1,811,83

2,232,25

1,89

2,392,37

2,812,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T6

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

41


Descripción

En general, por cambio de escala se entiende el aumento de escala de los procesos, es decir, el aumentode tamaño de los equipos en que se realiza el proceso, de la escala de laboratorio a la escala industrial,habitualmente pasando por escalas o tamaños intermedios (planta piloto). Obtener cantidadessignificativas de un producto (kilos e incluso alguna tonelada, en lugar de gramos o miligramos),requiere operar de una forma distinta de la de laboratorio, que es la escala a la que normalmente elproceso ha sido determinado, comprobado y descrito. Dos factores críticos en este proceso son:optimizar el transporte, tanto de nutrientes al interior de las células como de los productos, al exteriorde las mismas, para su posterior purificación; y alcanzar las especificaciones de pureza de productorequeridos, ya que las separaciones con membrana y cromatografía a escala industrial ofrecen buenasexpectativas, todavía se necesitan nuevos avances tecnológicos.

Aplicaciones

• Industria agroalimentaria: producción de renina para la industria de quesos (hongos, levaduras,bacterias); β-galactosidasa, para eliminar la lactosa de la leche (levaduras); glucosa isomerasa(hongos).

• Uso farmacéutico o veterinario: penicilina acilasa para síntesis de antibióticos (bacterias); hormonashumanas o animales (bacterias, levaduras, células de mamífero); factores de coagulación de la sangre(bacterias, células de mamífero); vacunas (levaduras); anticuerpos (células de mamífero).

• Enzimas de interés industrial: fitasas, amilasas, peptinasas, proteasas, peroxidasas, etc., de usoagroalimentario o para la industria del textil (detergentes incluidos), generalmente producidas enbacterias, hongos o levaduras; celulasas, para la producción de combustibles (hongos).

PosiciónCapacidades muy semejantes a la media de las tecnologías seleccionadas.Presenta índices de proximidad temporal y de importancia superiores a la media,siendo la tercera tecnología más importante.

VentajasEspaña dispone de buenos conocimientos tecnológicos y de ingeniería, como lodemuestra el hecho de la existencia de varias plantas de ensayo e inclusoplantas industriales para “bioproducir” biocombustibles y antibióticos.

Limitaciones Algunos de los temas a resolver se encuentran en la frontera del conocimiento.

MedidasIncentivar el cambio de escala científico. Programas específicos que permitantrasladar los resultados de laboratorio a plantas industriales.


El desarrollo e implantación a nivel comercial de nuevos procesos.


2005-2010 (nuevos procesos se escalarán a lo largo de los próximos años).

42


Tecnología crítica VII

Bioetanol a partir de almidón

Optimización biológica de la producción de bioetanol a partir de almidón.

VALORACIÓN GLOBAL


3,58

3,54

Media T7

2,40

3,54

2,152,04

2,091,88

2,171,83

2,422,25

2,42

2,642,37

2,892,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T7

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

43


Descripción

La transformación del cereal en etanol se puede conseguir de dos maneras diferentes, denominadas“molienda seca” y “molienda húmeda” respectivamente. Ambos procesos incluyen esencialmente lasmismas etapas: preparación de la materia prima, hidrólisis (α-amilasa y glucoamilasa), fermentación delos azúcares simples (levaduras) y recuperación del etanol y de los materiales residuales no alcohólicos.La principal diferencia es el tipo de material para ser fermentado. En el proceso de molienda húmeda elcereal es empapado y posteriormente molido mientras que en el proceso de molienda seca el grano esmolido en seco y posteriormente empastado. La concentración final del etanol en el mosto fermentadoronda el 11%, por lo que es necesario destilarlo hasta el 96% aproximadamente y, posteriormentedeshidratarlo hasta el 99.9% para uso como combustible.

Aplicaciones

Tipos de combustibles:

• ETBE: mezcla de bioetanol e isobuteno que sirve como alternativa al MTBE que se obtiene a partir delpetróleo y se utiliza como mejorante del índice de octano. Se mezcla hasta el 15 %.

• Gasolinas oxigenadas: contienen hasta un 5% de etanol sin necesidad de modificar el motor.

• E-85: combustible que contiene hasta el 85% de etanol y sólo un 15% de gasolina

• E-diesel: se obtiene añadiendo etanol al gasóleo convencional, junto con otros aditivos.

• Pilas o celdas de combustible (fuel cells).

PosiciónCapacidades superiores a la media de las tecnologías seleccionadas, destacandofrente a la media en presencia industrial, recursos económicos y conocimientotecnológico.

VentajasTodos los factores competitivos son ventajosos si bien el principal es la presenciaindustrial: la empresa española Abengoa, a través de su filial Abengoa Bioenergy,es uno de los líderes mundiales en producción de bioetanol.

Limitaciones

Los biocombustibles, y en concreto el bioetanol, todavía no han entrado confuerza en los mercados europeos, debido a fuerzas de mercado y a la necesidadde desarrollar un programa claro de sustitución paulatina de carburantes fósiles(ej., 30 by 30 en EE.UU.: 30% de bioetanol en 2030).

MedidasPromover la investigación aplicada en las etapas biológicas de los procesos deobtención de bioetanol que son los que más posibilidades ofrecen para reducirlos costes de producción.


Enzimas, levaduras o procesos biológicos transferidos a la industria y conaplicación comercial durante el periodo. El uso de bioetanol disminuyeconsiderablemente las emisiones contaminantes a la atmósfera, por lo que elnivel de emisiones en un país es un parámetro de seguimiento.


2005-2010.

Necesidadesde I+D

para producciónde Bioetanol

a partirde almidón

• Incrementar la cantidad de almidón en cultivo y/o facilitar su biodisponibilidad.

• Cócteles enzimáticos capaces de hidrolizar el almidón residual desde el 10% al 4%.

• Enzimas tolerantes a medios ácidos.

• Nuevas enzimas para la conversión de azúcares C5.

• Mejoras enzimáticas para disminuir el consumo energético en la etapa decocción.

• Cepas de levaduras tolerantes a mayores temperaturas y concentraciones deetanol.

• Biotratamientos alternativos para la digestión del almidón residual.

• Crecimiento de microorganismos para mejorar el contenido proteico de DDGS.

44


Tecnología crítica VIII

Bioetanol a partir de celulosa

Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas de hidrólisis de celulosa y hemicelulosa para la producción de biocombustibles.

VALORACIÓN GLOBAL


3,75

3,54

Media T8

2,38

3,42

2,172,04

1,971,88

2,131,83

2,532,25

2,31

2,592,37

2,942,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T8

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

45


Descripción

En los procesos de producción de etanol basados en hidrólisis enzimática es necesario realizar unpretatamiento de la biomasa lignocelulósica (compuesta de tres fracciones: celulosa cristalina,hemicelulosa y lignina) que altere la compleja estructura de este tipo de materiales, facilitando así laacción de las enzimas celulolíticas. Tras la fase de pretratamiento se realiza una etapa de hidrólisis en laque la celulosa se transforma en glucosa (mediante celulasas) y esta es posteriormente fermentada aetanol por la acción de microorganismos (normalmente levaduras). Una vez obtenidos los mostosazucarados se someten a un proceso de destilación y posteriormente a una deshidratación hastaconseguir bioetanol anhidro, que es la calidad necesaria para mezclas con combustibles de origen fósil.

Aplicaciones

La utilización del bioetanol obtenido a partir de celulosa no contribuye de manera neta a la emisión de CO2 y puede ayudar a mitigar el efecto invernadero, por lo cual se le considera como uno de los combustibles más prometedores para el futuro. Si bien todavía existen dudas sobre laoptimización técnica de este proceso en el corto o medio plazo. En la actualidad existen diferentesinstalaciones piloto o de demostración de esta tecnología: Arkenol, BCI, Masada, IOGEN, Etek yBiocarburantes de Castilla y León.

Posición

Obtiene puntuaciones superiores a la media en todos los factores, destacandofrente a la media en recursos humanos y económicos, presencia industrial yconocimiento científico. La importancia y la proximidad temporal son tambiénsuperiores a la media.

VentajasLa coyuntura actual del petróleo en precios máximos históricos está favoreciendoel desarrollo de fuentes energéticas y de materiales alternativos, entre ellos elbioetanol a partir de celulosa.

LimitacionesLas principales limitaciones son de índole técnico, es necesario mejorar losprocesos de hidrólisis enzimática y de fermentación biológica.

MedidasAvanzar en el desarrollo del pretratamiento y las etapas basadas en procesosbiológicos que son las que ofrecen mayores oportunidades para reducir loscostes finales del bioetanol.


Establecimiento de las primeras instalaciones piloto y de demostración.


2005-2010.

Necesidadesde I+D

para producciónde Bioetanol

a partirde celulosa

• Mejoras en los catalizadores biológicos responsables de la hidrólisis de lacelulosa (cóctel de endo-glucanasas, exo-glucanasas y β-glucanasas másefectivos).

• Producción de enzimas on-site (en la misma planta vegetal) para reducción decostes.

• Co-fermentación de hexosas y pentosas con altos rendimientos.

• Destilación de mostos con bajo grado alcohólico.

46


Tecnología crítica IX

Biocombustibles a partir de residuos orgánicos

Desarrollo de enzimas y procesos microbianos de transformación para la producción de biocombustibles apartir de materias residuos orgánicos.

VALORACIÓN GLOBAL


3,70

3,54

Media T9

2,19

3,30

2,082,04

1,831,88

1,941,83

2,282,25

2,09

2,382,37

2,722,78

1,88

3,26

2,15

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T9

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

47


Descripción

Los residuos orgánicos son una interesante materia prima para la obtención de biocombustiblesmediante procesos biotecnológicos. Algunos residuos pueden ser transformados en metano mediante unproceso de digestión anaerobia o fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a unamezcla de gases (principalmente metano y dióxido de carbono), conocida como “biogás”. Además, unagran parte de los materiales con alto contenido en celulosa (residuos de los sectores agrícola, forestal eindustrial) son susceptibles de ser utilizados como materia prima para la producción de etanol comocombustible. Por último, los aceites de fritura y las grasas animales residuales pueden transformarse enbiodiesel, que si bien en la actualidad se produce a partir de la reacción química de los triglicéridos yalcohol (etanol o metanol) en presencia de catalizadores, originando ésteres metílicos y etílicos, tambiénpuede realizarse por técnicas biotecnológicas utilizando lipasas.

Aplicaciones

La principal aplicación es obtener una nueva fuente de energía renovable (biogás, bioetanol o biodiesel)al tiempo que se reduce el crecimiento de los residuos orgánicos. Otra aplicación futura en este campotecnológico es la creación de biorrefinerías o industrias que integren los procesos de conversión debiomasa y el equipamiento para producir un amplio rango de productos (combustibles, electricidad yproductos químicos de valor añadido) a partir de biomasa. El concepto de biorrefinería es análogo al queactualmente se utiliza para las refinerías de petróleo que producen múltiples combustibles y productos apartir del petróleo.

PosiciónLa posición competitiva española en esta tecnología es muy similar a la mediade todas las tecnologías analizadas, si bien hay una presencia industrial mayor, ycomo consecuencia mayores recursos económicos.

VentajasLa principal ventaja es el atractivo que presenta esta área tecnológica para laindustria, tanto por la coyuntura actual con el petróleo y sus derivados como porlas importantes inversiones públicas en materia medioambiental.

LimitacionesAl igual que con la anterior tecnología, la principal limitación es técnica. Esnecesario mejorar los catalizadores biológicos responsables de la hidrólisis de lacelulosa (bioetanol) y de la esterificación de los ácidos grasos (biodiésel).

MedidasApoyar la investigación en el desarrollo de procesos para los diferentes residuosconsiderados.


Establecimiento de plantas piloto y demostración.


2005-2010.

Necesidadesde I+D

para producciónde Biocombustibles

a partir de residuosorgánicos

• Pretratamientos debido a la composición heterogénea de los residuos, ya seanRSU, residuos industriales, EDAR y ganaderos.

• Mejorar los catalizadores biológicos responsables de la hidrólisis de la celulosay de la esterificación de los ácidos grasos.

• Destilación de mostos con bajo grado alcohólico.

• Desarrollo de biorrefinerías.

48


Tecnología crítica X

Biología de sistemas

Sistemas de control de expresión de múltiples genes para ingeniería metabólica y producción de sistemasenzimáticos complejos.

VALORACIÓN GLOBAL


3,67

3,54

Media T10

2,05

3,00

2,052,04

1,971,88

1,721,83

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Proximidad temporal

Capacidades

Importancia

Media T10

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0




Recursos humanos



Legislación

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Descripción

Como Biología de Sistemas, entre otras definiciones, se entiende el estudio de un organismo, observadocomo un conjunto de redes integradas de sus genes, proteínas y reacciones bioquímicas que expliquenla fisiología de la célula y, en su caso, la de los órganos, tejidos y la del propio organismo, que originanla vida. Por tanto, su objetivo es la comprensión del comportamiento de las redes biológicas y, enparticular, de sus aspectos dinámicos. La Biología de Sistemas está caracterizada por una parteexperimental de manipulación del organismo y medida de las redes y otra computacional deestructuración de la información, modelado y simulación de las mismas, en respuesta a lasperturbaciones del sistema.

Aplicaciones

La principal aplicación es el diseño de microorganismos optimizados para la máxima obtención demetabolitos y/o productos activos. Así por ejemplo se ha modificado adecuadamente Escherichia colipara la producción de licopeno (pigmento natural con propiedades anti-cancerígenas); Corynebacteriumglutamicum para la sobreproducción de lisina (aminoácido esencial usado en alimentación humana yanimal); y Aspergillus terreus para sobre-expresar lovastatina (antibiótico), entre otros. También se hautilizado en la identificación de dianas terapéuticas mediante modelos dinámicos de sistemas biológicosen enfermedades específicas humanas como asma, obesidad, artritis reumatoide y diabetes.

PosiciónImportancia superior a la media de las tecnologías seleccionadas. Suscapacidades y su proximidad temporal son ligeramente inferiores a la media.

Ventajas

España dispone de una buena base de conocimiento científico e infraestructurascientíficas en biología molecular, genómica y bioinformática que pueden servir debase para la Biología de Sistemas o comprensión de la actividad funcional desdeuna perspectiva global de sistema.

Limitaciones

Las principales limitaciones son técnicas y culturales: entre las primerasdestacan la necesidad de disponer de tecnologías de experimentación másavanzadas y la estandarización de las bases de datos; y entre las segundas, laescasa colaboración interdisciplinaria entre ingenieros, físicos, bioinformáticos ybioquímicos.

MedidasEntre las medidas a implementar figuran la creación de una red nacional deBiología de Sistemas, estimular la formación de especialistas y favorecer lacreación de centros interdisciplinares y/o parques científicos.


Número de proyectos, patentes y publicaciones en Biología de Sistemas.


2010-2015.

50


Tecnología crítica XI

Bionanotecnología

Convergencia de la bionanotecnología para el desarrollo de múltiples dispositivos.

VALORACIÓN GLOBAL


3,84

3,54

Media T11

1,79

2,94

1,822,04

1,701,88

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Proximidad temporal

Capacidades

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Media T11

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Recursos humanos



Legislación

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Descripción

La Nanobiotecnología es un área emergente que implica la integración (convergencia) de la Biotecnologíacon la nanofabricación, para el desarrollo de nuevos dispositivos. Combina la ciencia de materiales, desuperficies, física y química con la biología celular y molecular, la biofísica y la microfluídica. Su principalpotencialidad radica en el hecho de poder trabajar a un nivel de la estructura de la materia que llega ala molécula. Ello permite abrir todo un nuevo paradigma de descubrimiento e innovación, del que sinduda se generarán nuevas aplicaciones.

Aplicaciones

En una dirección, se podrán analizar y caracterizar procesos celulares a nivel molecular (interaccionesentre moléculas, entre moléculas y las superficies de las células, etc.), que permitirán un mayor gradode comprensión de los procesos que ocurren a nivel subcelular, la función de las biomoléculas y lafisiología humana. En otra dirección, a partir de bloques a nivel molecular y subcelular, se podrándiseñar y nanofabricar nuevos dispositivos con múltiples aplicaciones: análisis biomoleculares, nuevosbiosensores, microdinámica celular, biomateriales a nanoescala, materiales biomiméticos y nuevosdispositivos biomédicos, entre otros.

PosiciónEs la tecnología que mayor importancia presenta, aunque las capacidades sonmuy inferiores a la media en todos los aspectos, obteniendo puntuaciones muybajas en parámetros como presencia industrial.

VentajasExisten en España buenos centros en todos los dominios a integrar(Biotecnología, Microelectrónica, Materiales, etc.), al tratarse de una tecnologíaemergente, que ofrece oportunidades de innovación.

LimitacionesLograr una buena convergencia y coordinación entre campos que hasta ahorahan trabajado por separado, con orientaciones muy específicas.

MedidasIncentivar acciones movilizadoras y de convergencia tecnológica y fomentariniciativas que permitan identificar nichos de futuro para proyectos conjuntosuniversidad y empresa.


Nuevos grupos de investigación, centros tecnológicos interdisciplinares, patentesy empresas spin-off en el campo.


2015-2020.

El sector industrial químico-farmacéutico enEspaña, generó en 2005 un valor de producciónde 35.600 millones de euros, correspondiente al10% de PIB, proporcionando más de 500.000empleos. Es además el primer inversor en I+D+iy se trata de un sector indispensable para el restode los sectores industriales. Sin embargo, a pesarde estas cifras, se enfrenta a una serie de retosque pueden marcar un punto de inflexión en sudesarrollo. Se trata de asuntos como la pérdidade competitividad frente a países del sudesteasiático, la protección del medio ambiente y lafutura implantación de la normativa REACH y elaumento de los costes energéticos, entre otros.

En la persecución por alcanzar los objetivos de laAgenda de Lisboa, que incluyen la mejora de lacompetitividad económica a través de la innovacióntecnológica, el sector químico-industrial español y,por ende el europeo, está posicionando su negociohacia la Biotecnología Industrial. No en vano, laComisión Europea dentro del Séptimo ProgramaMarco concede gran prioridad a la investigaciónsobre la Biotecnología Industrial incluyendo accionescomo “Ciencias de la vida y biotecnología para losproductos y procesos no alimentarios sostenibles”,que abarca el uso de la biotecnología para mejorarla productividad, la sostenibilidad y la composiciónde materias primas de biomasa y el desarrollo denuevos bioprocesos.

La Biotecnología Industrial se caracteriza pordesarrollar procesos químicamente sostenibles,mediante la utilización de biocatalizadores ymicroorganismos seleccionados o modificadosgenéticamente. Su utilización permite optimizarlos procesos productivos, así como disminuir elconsumo energético y de materias primas, juntocon una menor producción de residuos.

Las principales tendencias tecnológicas incluidasen esta área son la Biotransformación, laBioproducción y la Biotecnología ambiental.

La Biotransformación consiste en la conversiónde un compuesto químico o bioquímico en otro(activo) mediante el uso de un catalizador deorigen biológico o incluso sintético. En laactualidad ya se utilizan proteasas en losdetergentes o lipasas en la síntesis de fármacos,si bien en el futuro se extenderáconsiderablemente el uso de enzimas eninnumerables procesos industriales.

La Bioproducción consiste en la selección omodificación de microorganismos y plantasvegetales para la producción directa decompuestos, tanto intermediarios como productosfinales. Así por ejemplo, se producen aminoácidospara piensos animales o ácido poliláctico comomaterial biodegradable mediante el uso demicroorganismos, o incluso se está ensayando laproducción de fármacos en cultivos agronómicos.

Y por último, la Biotecnología ambiental, quepermite el tratamiento y recuperación de suelos,aguas y residuos urbanos e industriales. Entreotras aplicaciones, hoy en día se utilizanmicroorganismos seleccionados genéticamentepara digerir vertidos de petróleo o enzimas paradigerir residuos de papeleras industriales, si bienestas aplicaciones son muy recientes.

La Biotecnología Industrial esconde tras de sí, unvasto elenco de tecnologías, incluidas dentro delas tendencias descritas, siendo algunas másprioritarias que otras. En concreto, las tecnologíascríticas en la aplicación de la Biotecnología a lossectores químico-industriales son:

• Descubrimiento y desarrollo de nuevas enzimascon múltiples aplicaciones.

• Nuevos desarrollos tecnológicos para lainmovilización de enzimas y microorganismos.

• Mejoras tecnológicas en la producción,purificación y estabilización de enzimas de usoindustrial.

• Biocatálisis para la producción de productosfarmacéuticos.

• Identificación, aislamiento, purificación yexpresión de enzimas industriales portecnologías de alto rendimiento.

• Sistemas de expresión y purificación deproteínas que permitan el escalado eficiente dela producción y ensayos funcionales de altorendimiento.

Por su parte el sector energético español tuvoun valor de producción de más de 41.000millones de euros, empleando de forma directa eindirecta a más de 300.000 personas. El sectorenergético es aún más estratégico que el químico-industrial, pues de la energía, su producción,

52


7. Conclusiones

distribución y coste de adquisición depende engran medida el desarrollo económico del país.

A pesar de este carácter estratégico, y según elInforme de Seguimiento de la EvoluciónTecnológica elaborado por la Fundación OPTI en2004, España presentó en ese año un grado dedependencia energética mayor del 70%, quesupera ampliamente la media europea que seencuentra en el 50%, siguiendo la tendencia decrecimiento iniciada en el año 1985. Este gradode dependencia energética podría ser fuente detensiones en el futuro, materializándose enrestricciones en el suministro o en repercusioneseconómicas importantes debidas a la evolución delos precios, más aún cuando el precio de lagasolina se encuentra en sus máximos históricosy con una demanda creciente.

La Biotecnología energética se caracteriza porla utilización de las cosechas agrícolas, susresiduos y la biomasa en general, como fuente deenergía. El almidón de maíz o trigo, los aceitesvegetales de la colza o el girasol o los residuosurbanos, son utilizados para la producción debioetanol, biodiésel o biogás, respectivamente,mediante la acción de enzimas y la fermentaciónpor microorganismos.

Los biocombustibles, como principal tendenciatecnológica de esta área, suponen una importantealternativa energética para reducir la dependenciade los combustibles fósiles, como el petróleo y elgas. Esta reducción permite atenuar los impactoseconómicos de la subida del barril de petróleo,reducir la inseguridad ante el suministro exteriorde petróleo y disminuir las emisiones de gasescon efecto invernadero. No debemos olvidar queEspaña es el país de la Unión Europea que másalejado de encuentra de cumplir los compromisoscontraídos en el Protocolo de Kioto para lareducción de emisiones de gases con efectoinvernadero, debidos a la combustión decombustibles fósiles.

La Biotecnología Industrial y Energética engeneral, y los biocombustibles en particular,pueden suponer un aliciente económico paraalgunas zonas rurales deprimidas. La reconversiónde extensiones agrícolas poco productivas ocompetitivas en cultivos alimentarios a cultivosenergéticos o industriales, puede estimular laactividad económica en las zonas agrícolas, ymejorar su viabilidad.

España ya cuenta con varias plantas productorasde bioetanol y biodiesel distribuidas por toda lageografía nacional, y que tienen una capacidad deproducción de 415.000 t/año de bioetanol y de322.000 t/año de biodiésel.

Dentro de la Biotecnología energética, lastecnologías críticas identificadas para un horizontetemporal de 5 a 10 años son:

• Optimización biológica de la producción debioetanol a partir de almidón.

• Desarrollo de nuevas tecnologías enzimáticas dehidrólisis de celulosa y hemicelulosa para laproducción de biocombustibles.

• Desarrollo de enzimas y procesos microbianosde transformación para la producción debiocombustibles a partir de materias residuosorgánicos.

Es importante señalar que el desarrollo de laBiotecnología industrial y energética dependerá engran medida de otra herramienta (tendencia)tecnológica, denominada Genómica. Estadisciplina, que incluye el estudio completo de losgenes y su expresión dentro de un organismo,permite comprender con más facilidad y dirigir demanera más efectiva la biotransformación o labioproducción química y energética. Así porejemplo, el bioetanol producido a partir deresiduos de cosecha y biomasa, ricos en celulosa,será una realidad gracias a la aplicación de lagenómica, tanto en el descubrimiento de enzimaspresentes en la naturaleza como en la síntesis(evolución dirigida) de nuevas enzimas quehidrolizan la celulosa.

No cabe duda que a lo largo de esta primeradécada del siglo XXI, la industria química yenergética del país se enfrenta a nuevos retos,como el crecimiento económico, la mejora de lacompetitividad, la necesidad de innovación, elfomento del desarrollo sostenible y la proteccióndel medio ambiente, entre otros. Retos, para loscuales, la Biotecnología Industrial supone unaoportunidad de respuesta, quizás la primera.

53


54


Anexo I

Anexos

Objetivos

El presente informe pretende identificar, valorar ydefinir las tecnologías críticas en la aplicación dela Biotecnología a los procesos y operacionesindustriales y a la generación de combustibles yotras fuentes de energía. La gran mayoría deestas tecnologías están en la frontera delconocimiento por lo que será necesario invertiresfuerzo y tiempo para su desarrollo y suoptimización a nivel industrial. Este ejercicio deprospectiva tecnológica tiene el deseo expreso deayudar a aquellos encargados del desarrollo y dela optimización de estas tecnologías y decontribuir a comprender los escenarios futurosque pueden plantearse.

Metodología del informede prospectiva

Para la realización del informe se han seguido lossiguientes pasos:

• Síntesis Documental. Síntesis de informesinternacionales de la misma naturaleza (verAnexo II) para obtener un listado de tendenciassocio-económicas y tecnológicas, así como unlistado de tecnologías y posibles eventos deimportancia en el horizonte del 2020.

• Panel de expertos. El objeto de dicho panel(ver Anexo III) es comprobar y, en su caso,ampliar las tendencias socio-económicas ytecnológicas identificadas en la síntesis deldocumental. Además, participa en la valoracióndel análisis de los resultados obtenidos a partirdel cuestionario, definición final de la estructuradel informe así como directrices para establecerconclusiones y recomendaciones finales.

• Cuestionario. Se trata de valorar por consensoel grado de importancia de las tecnologías quehan resultado seleccionadas comopotencialmente interesantes en la primerareunión del panel de expertos, así como estimarsu fecha de realización y la posición competitivade España. El envío se realizó a investigadoresdel ámbito público, así como a representantesdel sector industrial, enviándose un total de 254cuestionarios.

• Análisis del cuestionario. Síntesis deresultados y análisis estadístico, junto con laexplicación de desviaciones y extracción deconclusiones sobre los cuestionarios recibidos.

• Redacción, edición y publicación delinforme final. Redacción del documento y delas fichas tecnológicas descriptivas de lastecnologías críticas, con apoyo de los expertos.Revisión de la versión final, edición ypublicación.

55


Informes analizados

Para la síntesis de las tendencias y tecnologías sehan analizado artículos científicos y estudiosinternacionales, entre los cuales cabe destacar lossiguientes:

• Australia - Commonwealth of Australia. A Framework for Action Report from the Biotechnology Taskforce (2003).

• Bélgica - BACAS (Royal Belgian AcademyCouncil of Applied Science). IndustrialBiotechnology and Sustainable Chemistry(2004).

• Biocatalysts Roadmap: NREL (NationalRenewable Energy Laboratory) - University ofTexas at San Antonio. New Biocatalysis:Essential tools for a sustainable 21st chemicalindustry.

• BIO-org (Bio Biotechnology IndustryOrganization) - New Biotech Tools for a CleanerEnvironment. Industrial Biotechnology forPollution Prevention, Resource Conservation andCost Reduction (2004).

• EE.UU. (Office of Science and TechnologyPolicy) - National Critical Technologies Report(1995).

• EuropaBio (European Association ofBioindustries). Industrial or White Biotechnology(2005).

• Finlandia - Tekes (Agencia Nacional deTecnología). Technology Strategy - A review ofchoices (2002).

• Francia - Ministère de l’Industrie. TechnologiesClés 2005. Rapport Final (2000).

• Irlanda - ICSTI (Irish Council for Science,Technology and Innovation). Report onBiotechnology (2000).

• Japón - Nistep (National Institute of Scienceand Technology Policy). The Seventh TechnologyForesight. Future Technology in Japan towardthe Year 2030 (2001).

• Nueva Zelanda - MRS&T (Ministry of ResearchScience and Technology). Growing theBiotechnology Sector in New Zealand (2002).

• OECD - Organisation for Economic Co-OperationAnd Development. Biotechnology for CleanIndustrial Products and Processes. TowardsIndustrial Sustainability (1998).

• UK - DTI (I) (Department of Trade andIndustry). Foresight Futures 2020. RevisedScenarios and Guidance (2002).

• UK - DTI (II) (Department of Trade andIndustry). Industrial Biotechnology: DeliveringSustainability and Competitiveness. A Draft bythe UK Industrial Biotechnology Task Force(2004).

Anexo II

56


Anexo III

Panel de expertos

Nombre

Mercedes Ballesteros

Juan Antonio Cabrera

CIEMAT

CIEMAT

Organismo

Antonio Ballesteros OlmoInstituto de Catálisis y Petroleoquímica - CSICDepartamento de Biocatálisis

Antoni Planas SauterInstitut Químic de Sarrià (IQS)Laboratorio de Bioquímica

José María Sánchez-PuellesFundación Valenciana de Investigaciones BiomédicasFarmacología Molecular

Francesc Godia Universidad Autónoma de BarcelonaDepartamento de Ingeniería Química

Félix García-Ochoa Soria Universidad Complutense de MadridDepartamento de Ingeniería Química

Josep Vicent Sinisterra Gago Universidad Complutense de MadridDepartamento de Química Orgánica y Farmacéutica

José Luis Iborra Universidad de MurciaDepartamento de Bioquímica y Biología Molecular

Antonio Sánchez Amat Universidad de MurciaDepartamento de Genética y Microbiología

Vicente Gotor Santamaría Universidad de OviedoDepartamento de Química Orgánica e Inorgánica

José Antonio Salas FernándezUniversidad de OviedoDepartamento Biología Funcional

José Antonio Moreno Delgado ABENGOA

Ricardo Arjona ABENGOA/ Greencell

Pablo Gutiérrez ABENGOA/ Biocarburantes de Castilla y León

Kepa Izaguirre Goyoaga AB LABORATORIOS DE BIOTECNOLOGÍA

Jesús Eleodoro Corrales Noriega BIOFERMA

Ángel Cebolla Ramírez BIOMEDAL

Daniel Ramón Vidal BIOPOLIS

José Luis Novella Robisco Planta Piloto de Química Fina de Alcalá de Henares

Ana Morato FUNDACIÓN OPTI

Fernando Garcés GENOMA ESPAÑA

Miguel Vega GENOMA ESPAÑA

Olga Ruiz GENOMA ESPAÑA

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Irrelevante

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Conocimientotecnológico

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Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

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om

peti

do

res

4 =

Po

sici

ón

neta

men

te d

esa

ven

taja

da

Fech

ad

e r

ealiza

ció

n(E

stim

aci

ón

)

Alto

Medio

Bajo

Alto

Medio

Bajo

Irrelevante



PresenciaIndustrial

RecursosHumanos

RecursosEconómicos


Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

59


TEC

NO

LO

GÍA

S C

RÍT

ICA

S

9.

Ingen

iería

met

abólic

a: a

plic

ació

n

de

la b

iolo

gía

de

sist

emas

par

a la

model

izac

ión y

pro

ducc

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de

met

abolit

os

concr

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14

11

25

22

15

62

1)

4

2)

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2

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20

17

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21

12

1 7

16

10

14

18

42

10.

Des

arro

llo d

e nuev

os

pro

ceso

s de

pro

ducc

ión d

e polím

eros

por

med

io d

e pro

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s quím

icos

trad

icio

nal

es a

par

tir

de

mat

eria

sprim

as r

enov

able

s (e

j. g

luco

sa).

517

28

16

20

60

1)

4

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7

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4)

2

3 3

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14

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24 4

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20

11

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18 8

2 3

15 6

917

42

11.

Producc

ión e

fici

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y r

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ble

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stic

os

y m

ater

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sbio

deg

radab

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anis

mos

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lanta

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j. á

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11

11

27

23

14

42

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3

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4

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11

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25 9

0 5

17 8

821

52

12.

Des

arro

llo d

e m

étodos

bio

tecn

oló

gic

os

par

a pro

duci

rm

ater

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s de

recu

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23 8

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18

13

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10 9

417

64

Au

toevalu

aci

ón

(Niv

el

de

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oci

mie

nto

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re l

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cno

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oló

gic

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gía

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Po

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Po

sici

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Po

sici

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Po

sici

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os

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tajo

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peti

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4 =

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sici

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men

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taja

da

Fech

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e r

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ció

n(E

stim

aci

ón

)

Alto

Medio

Bajo

Alto

Medio

Bajo

Irrelevante



PresenciaIndustrial

RecursosHumanos

RecursosEconómicos


Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

60


TEC

NO

LO

GÍA

S C

RÍT

ICA

S

13.

Des

arro

llo d

e te

cnolo

gía

s de

pro

ducc

ión d

e nan

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s de

bas

e bio

lógic

a par

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acio

nes

en m

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ibra

s te

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s y

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os.

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36

11

18

61

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3)

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19

10

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1 7

13 7

317

55

14.

Iden

tifica

ción,

aisl

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ción y

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enzi

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rial

es

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tecn

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ren

dim

iento

.

15

10

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3

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13

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12

11

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12

11

16

17

12

15.

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ciac

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roorg

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10

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15

31

16.

Rea

lizac

ión d

e m

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gen

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os

de

mic

roorg

anis

mos

de

inte

rés

indust

rial

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20

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23

18

20

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(Niv

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taja

da

Fech

ad

e r

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ció

n(E

stim

aci

ón

)

Alto

Medio

Bajo

Alto

Medio

Bajo

Irrelevante



PresenciaIndustrial

RecursosHumanos

RecursosEconómicos


Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

61


TEC

NO

LO

GÍA

S C

RÍT

ICA

S

17.

Cre

ació

n d

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liote

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gen

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19

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61

18.

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cnolo

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s que

per

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la

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ción d

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es y

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anis

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g

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17

17

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18

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27

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12

19

15

62

19.

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13

18

72

20.

Bio

logía

sin

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: cr

om

oso

mas

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que

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mic

roorg

anis

mos

con a

plic

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nes

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es y

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icas

.

712

34

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15

5

Au

toevalu

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(Niv

el

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Po

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te v

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Po

sici

ón

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sa q

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om

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Po

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os

ven

tajo

sa q

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om

peti

do

res

4 =

Po

sici

ón

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men

te d

esa

ven

taja

da

Fech

ad

e r

ealiza

ció

n(E

stim

aci

ón

)

Alto

Medio

Bajo

Alto

Medio

Bajo

Irrelevante



PresenciaIndustrial

RecursosHumanos

RecursosEconómicos


Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

62


TEC

NO

LO

GÍA

S C

RÍT

ICA

S

21.

Sis

tem

as d

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pre

sión

y purifica

ción d

e pro

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22

12

43

22.

Sis

tem

as c

ontr

ol de

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sión

de

múltip

les

gen

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ingen

iería

met

abólic

a y

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ducc

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as e

nzi

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com

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17

15

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17

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21

11

1 5

14 8

915

84

23.

Nuev

as h

erra

mie

nta

s de

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tifica

ción d

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nci

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y

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-act

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ad e

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tridim

ensi

onal

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19

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0 4

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13

16

72

24.

Optim

izac

ión b

ioló

gic

a de

la p

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ión d

e bio

etan

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a par

tir

de

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11

Au

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Po

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men

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Fech

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ció

n(E

stim

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)

Alto

Medio

Bajo

Alto

Medio

Bajo

Irrelevante



PresenciaIndustrial

RecursosHumanos

RecursosEconómicos


Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

63


TEC

NO

LO

GÍA

S C

RÍT

ICA

S

25.

Des

arro

llo d

e nuev

as t

ecnolo

gía

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zim

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as d

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10

17

19

12

26.

Des

arro

llo d

e en

zim

as y

pro

ceso

sm

icro

bia

nos

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tran

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ació

n

par

a la

pro

ducc

ión

de

bio

com

bust

ible

s a

par

tir

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eria

s re

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ánic

os.

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18

51

27.

Producc

ión b

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11

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28.

Rem

edia

ción y

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gic

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min

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s org

ánic

os

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xico

s.

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men

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RecursosHumanos

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Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

65


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RecursosEconómicos


Legislación

2005-2010

2010-2015

2015-2020

> 2020

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Anexo V

Índices estadísticos

Para la realización del análisis estadístico se han utilizado las siguientes fórmulas (tan sólo se consideranrespuestas con nivel de conocimiento alto o medio):

NC (%) = (X/N) x 100.

Siendo

NC = Nivel de conocimiento (Porcentaje).

X = Número de respuestas relativas a una tecnología cuyo grado de conocimiento puede ser:

- Alto.- Medio.- Bajo.

N = número total de respuestas.

IGI = (4A+3B+2C+D)/N.

Siendo

IGI = Índice del Grado de Importancia.

A = Número de respuestas que consideran que el grado de importancia de la tecnología es alto.

B = Número de respuestas que consideran que el grado de importancia de la tecnología es medio.

C = Número de respuestas que consideran que el grado de importancia de la tecnología es bajo.

D = Número de respuestas que consideran que el grado de importancia de la tecnología es irrelevante.

N = Número total de respuestas.

IIGP = (4E + 3F + 2G + H)/N.

Siendo

IGP = Índice del Grado de Proximidad Temporal.

E = Número de respuestas que consideran que la tecnología se materializará entre 2005 y 2010.

F = Número de respuestas que consideran que la tecnología se materializará entre 2010 y 2015.

G = Número de respuestas que consideran que la tecnología se materializará entre 2015 y 2020.

H = Número de respuestas que consideran que la tecnología se materializará después de 2020.


IGC= (4I + 3J + 2K + 1M)/N.

Siendo

IGCf = Índice del Grado de Capacidades.

I = Número de respuestas que consideran que la posición del factor competitivo de la tecnología esaltamente ventajosa.

J = Número de respuestas que consideran que la posición del factor competitivo de la tecnología esmás ventajosa.

K = Número de respuestas que consideran que la posición del factor competitivo de la tecnología esmenos ventajosa.

M = Número de respuestas que consideran que la posición del factor competitivo de la tecnología esnetamente desaventajada.


• V.V. A.A. (2005). Informe de Seguimiento de laEvolución Tecnológica en 2004. Fundación OPTI.

• http://trendchart.cordis.lu/scoreboards/scoreboard2005.

• Uptake of White Biotechnology by the ChemicalIndustry (McKinsey, 2001).

• Royal Belgian Academy Council of AppliedScience (2004). Industrial Biotechnology andSustainable Chemistry.

• Xu, F. (2005). Applications of oxidoreductases:recent progress. Industrial Biotechnology, 1 (1),38-50.

• Gavrilescu, M.; Chisti, Y. (2005). Biotechnology-a sustainable alternative for chemical industry.Biotechnology Advances, 23, 471-499.

• Asociación de Productores de EnergíasRenovables (2005). Una Estrategia deBiocarburantes para España (2005-2010).

67


Referencias

Orense, 69, planta 2ª28020 MadridTeléfono: 91 449 12 50Fax: 91 571 54 89www.gen-es.org

Impacto de la Biotecnología en los Sectores Industrial … · de la industria que se realiza en...

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Transcript of Impacto de la Biotecnología en los Sectores Industrial … · de la industria que se realiza en...