De los combustibles fósiles a los biocombustibles: cómo la biomasa puede conducir, manejar, llevar a la sostenibilidad

Combustibles y productos químicos derivados de la biomasa representan una vía crítica hacia la energía sostenible y la producción química. Estos materiales utilizan insumos orgánicos renovables de fuentes vegetales y agrícolas para generar productos derivados habitualmente del petróleo y otros combustibles fósiles. Aunque la biomasa solo representa el 1% de la producción de energía a nivel de red en EE. UU. y alrededor del 6% en la Unión Europea, los avances en las tecnologías de conversión de biomasa están aumentando los rendimientos, reduciendo los costes y mejorando la sostenibilidad de estos materiales.

El mercado global de productos bioquímicos y biocombustibles demuestra un crecimiento significativo que se espera que continúe. Se proyecta que los productos bioquímicos crezcan a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 10,6% y alcancen un valor de 240-244 mil millones de dólares para 2035, y se espera que los biocombustibles crezcan alrededor de un 7% y alcancen más de 270 mil millones de dólares en valor para 2035. Este crecimiento está impulsado por el aumento de la demanda energética y la necesidad de alternativas respetuosas con el medioambiente a los combustibles fósiles.

A pesar de su prometedor potencial, sin embargo, los combustibles y productos químicos derivados de la biomasa enfrentan desafíos significativos. Las instalaciones de producción a gran escala son limitadas y los procesos de conversión existentes a menudo requieren altas temperaturas y presión, lo que aumenta los costes de capital y operativos. Estos procesos también tienden a requerir catalizadores costosos y pueden producir subproductos de bajo valor. La disponibilidad de materias primas y la competencia con el uso de la tierra para la producción de alimentos también plantean desafíos continuos. Además, el conflicto entre combustible y alimentos surge cuando los cultivos destinados a la alimentación se desvían para producir biocombustibles, lo que genera preocupaciones sobre la seguridad alimentaria y el aumento de los precios.

Para abordar estos problemas, los investigadores se están centrando en fuentes de biomasa no alimentarias, como los residuos y desechos agrícolas, y en diversos procesos de conversión para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad. Realizamos un análisis exhaustivo del panorama de publicaciones sobre biomasa con la CAS Content CollectionTM^TM, la mayor colección de información científica catalogada por expertos humanos, para comprender mejor la evolución de este campo. 

Mediante una estrategia de búsqueda cuidadosamente diseñada, identificamos aproximadamente 220.000 publicaciones que informaban sobre la conversión de biomasa en productos de valor añadido, publicadas entre 2015 y 2025. Extrajimos y analizamos sistemáticamente información bibliométrica, conceptos indexados por CAS y sustancias químicas de estas publicaciones para identificar tendencias de investigación y generar información valiosa sobre el campo de la conversión de biomasa. Nuestro análisis reveló un crecimiento moderado en los artículos de revistas publicados sobre la conversión de biomasa y la investigación relacionada, con un volumen de publicaciones que casi se ha duplicado en la última década. Por el contrario, el crecimiento inconsistente en las publicaciones de patentes sugiere una débil alineación entre la investigación fundamental y su comercialización, lo que pone de relieve los desafíos operativos y las limitaciones técnicas que dificultan la implementación práctica (véase la Figura 1).

Figura 1: Tendencias anuales de artículos de revistas y familias de patentes publicados sobre investigación en conversión de biomasa. Los datos de 2025 son parciales hasta agosto. Fuente: CAS Content Collection.

Los imperativos económicos y medioambientales de los materiales derivados de la biomasa seguirán aumentando, por lo que analizamos más a fondo las materias primas, los procesos y los productos para explorar las trayectorias de investigación y los nuevos desarrollos en este campo crucial de la química verde.

Materias primas de biomasa: la base de los biocombustibles y los productos bioquímicos

Las materias primas de biomasa son los materiales básicos fundamentales en la valorización de la biomasa, y su selección influye significativamente en la eficiencia y los resultados del producto de tecnologías de conversión.  

Para este análisis, los conceptos indexados por CAS se clasificaron en diferentes categorías según su origen, es decir, de origen vegetal, de origen animal y residuos municipales (véase la Figura 2).

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Figura 2: Categorías de materias primas de biomasa. Las burbujas agrupadas ilustran los principales grupos de materias primas identificados en el conjunto de datos. Los mapas de calor adyacentes destacan las diez subcategorías principales, con gradientes de color que indican el volumen de publicaciones. El rojo representa el valor más alto y el verde el más bajo. Fuente: CAS Content Collection.

Los residuos y desechos de origen vegetal dominan el panorama de las publicaciones debido a su abundancia y alto contenido lignocelulósico. Esta categoría incluye residuos agrícolas no alimentarios, como paja, madera, cáscaras y fibras, lo que evita el conflicto entre alimentos y combustibles. Estos materiales están compuestos principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina, y su composición varía según la fuente. La paja destaca debido a su enorme disponibilidad y versatilidad en las rutas de conversión. Con un 30-40% de celulosa, un 20-30% de hemicelulosa y un 15-20% de lignina, es muy adecuada para la hidrólisis enzimática, los procesos de fermentación y las rutas termoquímicas como la pirólisis y la gasificación. 

La madera es la segunda materia prima dominante, derivada de residuos forestales como astillas y virutas. Su alto contenido lignocelulósico, su baja humedad y su densidad energética la hacen eficiente para la combustión, la gasificación, la granulación y la producción de biocarbón. El bagazo, un residuo fibroso del procesamiento de la caña de azúcar, también es rico en celulosa y hemicelulosa y se utiliza ampliamente para producir bioetanol, biogás y productos bioquímicos. El serrín, un subproducto del procesamiento de la madera, ofrece un tamaño de partícula fino y una composición constante, lo que permite una conversión eficiente en bioetanol, biocombustible y polioles (xilitol). 

La categoría de alimentos de origen vegetal incluye cultivos como el maíz, el arroz, la remolacha, las harinas de semillas oleaginosas, las frutas y las verduras, que sirven principalmente como fuentes renovables para la producción de alimentos, energía y productos químicos. Cultivos como el maíz se utilizan para producir biocombustibles y bioplásticos, mientras que las harinas de semillas oleaginosas, subproductos de la extracción de aceite, se valorizan en películas y revestimientos biodegradables. Los residuos de frutas y verduras se valorizan cada vez más para producir ácidos orgánicos, biocombustibles y fertilizantes mediante rutas de conversión microbiana y enzimática.  

La categoría de materias primas de aceites y grasas está dominada por sustancias de origen vegetal. Esta prominencia está respaldada por tecnologías de conversión bien establecidas, como la transesterificación y el hidroprocesamiento. Estas fuentes renovables de hidrocarburos de cadena larga están compuestas principalmente por triacilgliceroles (TAG, 95-98%). Los TAG son ésteres de ácidos grasos superiores y gliceroles. También se valorizan cada vez más para la producción de productos químicos de plataforma y biocombustibles. 

Los residuos animales, como el estiércol y la cama de aves de corral, representan un flujo de biomasa significativo debido a su enorme disponibilidad y a sus vías de conversión establecidas. Su uso no solo genera energía renovable, sino que ayuda a mitigar las emisiones de metano, un potente gas de efecto invernadero. 

Los residuos municipales, en particular su fracción orgánica, están dominados por los residuos alimentarios y los residuos de procesamiento. Estos materiales son ricos en carbohidratos, lípidos y proteínas, lo que los hace adecuados para la digestión anaeróbica, la gasificación y el compostaje. La valorización de los residuos municipales no solo desvía los residuos de los vertederos, sino que también permite la producción de biogás, biocombustibles y productos químicos de plataforma, apoyando estrategias sostenibles de gestión de residuos urbanos.

Procesos de conversión: Cómo la biomasa se convierte en combustibles y productos químicos

La transformación de diversas materias primas de biomasa en combustibles, productos químicos de plataforma, fertilizantes y productos farmacéuticos requiere tecnologías de conversión sofisticadas que puedan descomponer estructuras orgánicas complejas y convertirlas en los compuestos deseados. La selección de la vía de conversión viene determinada por los productos finales previstos y las características de la materia prima, en particular el contenido de humedad, la composición de lignina y la estructura de carbohidratos de la materia prima utilizada. 

Existen varias tecnologías de conversión de biomasa que pueden aplicarse para convertir la biomasa de una forma a otras más valiosas, pero las dominantes son las tecnologías termoquímicas, bioquímicas y químicas. Analizamos los conceptos indexados por CAS, los categorizamos en estas tres tecnologías de conversión y examinamos los documentos asociados para identificar patrones subyacentes y tendencias emergentes (ver Figura 3).

Figura 3: Las tecnologías de conversión de biomasa se visualizan como burbujas compactas, con procesos individuales dentro de cada categoría representados por mapas de calor. Los gradientes de color indican el volumen de publicación, donde el rojo denota la mayor actividad de publicación y el verde la menor. Fuente: Contenido CAS.

Nuestro análisis revela que tecnología termoquímica, que utiliza calor y presión, es una de las plataformas de conversión de biomasa más estudiadas. Estos procesos son preferidos por su rápido procesamiento de diversas materias primas y ofrecen soluciones escalables y energéticamente eficientes, especialmente en casos donde los enfoques bioquímicos están limitados por la composición de la materia prima. Los principales procesos termoquímicos en nuestro conjunto de datos incluyen la carbonización, la descomposición térmica, la gasificación, la pirólisis y la reacción hidrotérmica. La carbonización lidera esta categoría, seguida por la descomposición térmica y la gasificación, lo que subraya la importancia de estas tecnologías en la producción de biocombustibles como el gas de síntesis y el bioaceite, así como en la generación de biocarbón e hidrocarbón para aplicaciones medioambientales.

La siguiente categoría principal comprende procesos bioquímicos, que utilizan microorganismos y enzimas para descomponer estructuras complejas de biomasa en compuestos ricos en energía. Estos métodos operan en condiciones moderadas y son eficaces para materias primas ricas en carbohidratos. Permiten la producción de biocombustibles y productos bioquímicos con alta selectividad y eficiencia. Los principales procesos de conversión bioquímica en nuestro conjunto de datos incluyen la fermentación, la hidrólisis enzimática, la digestión anaeróbica, la sacarificación y la biodegradación. La fermentación es el proceso más documentado entre los tres tipos de conversión, lo que refleja su madurez industrial y su adopción generalizada para la producción de bioetanol, ácidos orgánicos, fertilizantes y otros productos químicos de valor añadido.

La categoría final incluyó conversión química métodos, que dependen de catalizadores y reactivos sintéticos para descomponer estructuras complejas de biomasa en compuestos más simples y de valor añadido. Su compatibilidad con los sistemas industriales existentes los hace ideales para aplicaciones a gran escala. Los principales procesos de conversión química en nuestro conjunto de datos incluyen la hidrólisis, la oxidación, la transesterificación, la hidrogenación y la reducción. La hidrólisis domina, enfatizando su papel fundamental en la descomposición de carbohidratos complejos en azúcares simples, que luego pueden procesarse en biocombustibles y productos bioquímicos. La prominencia de los procesos de oxidación e hidrogenación refleja su uso en la producción de productos químicos de plataforma y combustibles directos, respectivamente. Además, la transesterificación es un proceso químico clave en la producción de biodiésel debido a su simplicidad y eficiencia.

Aunque estas vías difieren en sus principios operativos, ofrecen colectivamente rutas viables para producir energía sostenible y productos de alto valor, reduciendo así la dependencia de los combustibles fósiles. La distribución equilibrada de documentos en las tres categorías de procesos refleja el reconocimiento de la industria de que la diversidad de materias primas y los requisitos de los productos requieren un enfoque multitecnológico, mientras que el volumen sustancial de investigación subraya la madurez y el potencial de innovación continua de las tecnologías de conversión de biomasa.

Categorías principales de productos de biomasa

Las publicaciones indexadas en la CAS Content Collection tienen asignados números de sección según los estudios que se describen en ellas. Utilizamos las secciones indexadas por CAS para clasificar las publicaciones en cuatro categorías de productos: combustibles, productos químicos y materiales de plataforma, fertilizantes y productos farmacéuticos. La categoría de productos de combustibles obtuvo el mayor número de publicaciones, seguida por la de productos químicos y materiales de plataforma. Los fertilizantes ocuparon el tercer lugar en número de publicaciones, mientras que la categoría de productos farmacéuticos contó con un número relativamente bajo.

La base de datos de CAS contiene numerosos conceptos indexados con funciones de "producto". Para gestionar este gran conjunto de datos, consolidamos los conceptos de productos con composiciones químicas similares bajo nombres de producto unificados (véase la Figura 4). Por ejemplo, materiales relacionados basados en carbono, como el carbón vegetal, el coque y el semicoke, se agruparon bajo la categoría única de "materiales de carbono".

Figura 4: Productos obtenidos mediante la conversión de biomasa. Las burbujas representan las categorías de productos y los mapas de calor presentan los principales productos dentro de ellas. Fuente: CAS Content Collection.

Dentro de la categoría de combustibles, los productos predominantes son los materiales de carbono, los hidrocarburos alifáticos y los ésteres. Para la categoría de productos químicos y materiales de plataforma, los principales grupos de sustancias incluyen materiales de carbono, polímeros e hidrocarburos aromáticos.  

Aunque los materiales de carbono representan el grupo de sustancias más grande en las categorías de combustibles y productos químicos/materiales, los tipos específicos de materiales de carbono dentro de cada categoría difieren significativamente. En la producción de combustibles, el carbón vegetal predomina junto con el coque y diversos materiales carbonosos, que sirven principalmente como alternativas de combustible sólido. El sector de productos químicos y materiales de plataforma destaca productos de carbono avanzados, como fibras de carbono, nanofibras y carbones activados para aplicaciones de alto valor en compuestos, almacenamiento de energía y remediación ambiental.

Otro producto importante presente en las categorías de combustibles y productos químicos y materiales de plataforma son los ésteres. Los ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel) dominan las aplicaciones de combustible, mientras que los productos químicos de plataforma utilizan diversos tipos de ésteres, incluidos derivados de ácidos grasos para aplicaciones oleoquímicas.

Los productos más comunes en la fertilizantes categoría son los fertilizantes orgánicos, los fertilizantes multinutrientes y los biofertilizantes. Los fertilizantes orgánicos y multinutrientes proporcionan los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas, mientras que los biofertilizantes contienen microorganismos vivos que ayudan al crecimiento y la salud de las plantas. 

En la categoría farmacéutica, los productos más comunes son los compuestos bioactivos naturales, los péptidos y los hidrolizados de proteínas, y los materiales de carbono. Los compuestos bioactivos naturales, como los flavonoides, las saponinas y los alcaloides, son algunas de las sustancias derivadas de la biomasa utilizadas en la industria farmacéutica. Los péptidos se utilizan para el tratamiento de enfermedades metabólicas y el cáncer. Los hidrolizados de proteínas se utilizan en productos farmacéuticos para el soporte nutricional y ciertas propiedades terapéuticas. Los materiales de carbono también se utilizan debido a su biocompatibilidad, su alta capacidad de carga de material activo y su conductividad eléctrica, así como por su capacidad para actuar como portadores para muchos ingredientes activos.

La coocurrencia de sustancias destaca las actividades de investigación

Para obtener una visión más profunda, analizamos la coocurrencia de sustancias en el conjunto de publicaciones del REGISTRO CAS®, una base de datos de sustancias químicas divulgadas, seleccionadas de la bibliografía científica y otras fuentes. Este tipo de análisis puede revelar conexiones importantes entre ideas que de otro modo serían dispares y sugerir de dónde podrían provenir nuevos avances en la investigación. En este caso, examinamos las coocurrencias de sustancias independientemente de su función, pares de sustancias producto-producto y pares de catalizador-catalizador (véase la Figura 5).

Figura 5: Patrones de coocurrencia de pares de sustancias. (A) todos los pares de sustancias independientemente de su función, (B) pares producto-producto y (C) pares catalizador-catalizador, que muestran los recuentos de publicaciones y los porcentajes de patentes para las combinaciones mejor clasificadas. Las barras están codificadas por colores según el porcentaje de patentes sobre el número total de publicaciones. Fuente: Contenido CAS.

• Coocurrencias de sustancias: Las más frecuentes involucran los componentes estructurales primarios de la biomasa lignocelulósica, con pares de celulosa-lignina, celulosa-hemicelulosa y hemicelulosa-lignina dominando las publicaciones de investigación. Estas asociaciones reflejan la naturaleza integrada de las estrategias de fraccionamiento y valorización de la biomasa, donde los investigadores deben abordar las complejas interacciones entre estos biopolímeros durante el procesamiento. El carbono emerge como un elemento central en múltiples patrones de coocurrencia, apareciendo junto a la celulosa, la lignina, el hidrógeno y diversos compuestos inorgánicos. Esta prevalencia subraya el doble papel del carbono como componente estructural de la biomasa y como producto clave en los procesos de conversión termoquímica, particularmente en las reacciones de carbonización y gasificación.

• Coocurrencias de productos: Estas revelan un enfoque estratégico en los componentes del gas de síntesis, con pares de monóxido de carbono-hidrógeno, hidrógeno-metano y monóxido de carbono-metano mostrando una alta actividad de patentes, lo que indica un interés comercial en las aplicaciones integradas de gasificación y gas de síntesis. La coocurrencia de xilosa y glucosa refleja la investigación sobre la hidrólisis de hemicelulosa y celulosa, mientras que los pares de ácidos orgánicos como los ácidos acético-butírico y acético-propiónico demuestran la optimización de las rutas de fermentación. El emparejamiento benceno-tolueno indica la producción de compuestos aromáticos a partir de la despolimerización de la lignina, lo que representa estrategias de recuperación química de alto valor.

• Coocurrencias de catalizadores: Estas están lideradas por sistemas catalíticos establecidos para la conversión de biomasa, con pares de cobalto-níquel y paladio-platino mostrando porcentajes de patentes excepcionalmente altos, lo que refleja su importancia comercial en las reacciones de hidrogenación y reformado. La prevalencia de pares que contienen níquel en múltiples combinaciones confirma su papel central en la catálisis de conversión de biomasa, mientras que las coocurrencias de alúmina-sílice indican la optimización del material de soporte para mejorar el rendimiento y la estabilidad del catalizador en entornos de procesamiento de biomasa.

Biocombustibles: La conexión entre materias primas, procesos de conversión y productos

Los combustibles derivados de la biomasa presentan propiedades distintivas que los posicionan como alternativas viables a los combustibles fósiles convencionales, principalmente su mayor contenido de oxígeno y sus niveles más bajos de azufre y nitrógeno, lo que resulta en una combustión más limpia con menores emisiones de partículas y gases de efecto invernadero. La naturaleza oxigenada de las moléculas de biomasa conduce a una menor densidad energética en comparación con sus homólogos fósiles, pero los combustibles de biomasa ofrecen la importante ventaja de la neutralidad de carbono, ya que el CO₂ liberado durante la combustión se compensa teóricamente con la absorción durante el crecimiento de la biomasa. 

La composición de estos combustibles varía considerablemente según la fuente de materia prima, desde residuos agrícolas y orgánicos hasta aceites y grasas, y los procesos de conversión específicos empleados.

Los principales biocombustibles, como el biodiésel, el bioetanol, el combustible drop-in, el biogás y el bioaceite, demuestran un potencial de sustitución directa de combustibles fósiles específicos con modificaciones mínimas en la infraestructura. El bioetanol, producido a partir de biomasa celulósica mediante fermentación, puede sustituir o mezclarse con la gasolina, mejorando el índice de octano pero reduciendo la energía por litro. El biodiésel, creado mediante la transesterificación de aceites y grasas, imita estrechamente al diésel de petróleo en viscosidad e índice de cetano, lo que le permite funcionar como un sustituto directo o mezcla, al tiempo que reduce las emisiones de partículas y de hidrocarburos. 

Además, los biocombustibles drop-in (biohidrocarburos líquidos) también son totalmente compatibles con combustibles derivados del petróleo y pueden funcionar de manera equivalente sin necesidad de modificar el motor del vehículo. El biogás y el biometano mejorado pueden sustituir al gas natural en aplicaciones de calefacción, electricidad y transporte, mientras que el bioaceite se perfila como un sustituto prometedor del fuelóleo pesado tras el tratamiento adecuado.

Para comprender las diversas rutas mediante las cuales la biomasa se transforma en combustible, hemos esquematizado las conexiones entre los productos combustibles y sus respectivos procesos de conversión y materias primas (ver Figura 6).

Figura 6: Diagrama de Sankey que conecta los productos combustibles con sus respectivos procesos de conversión y materias primas según el número de documentos en la CAS Content Collection.

El análisis reveló que los materiales ricos en carbono constituyen un producto combustible importante. Estos se generan principalmente a través de procesos termoquímicos como la carbonización, la pirólisis y la descomposición térmica, utilizando materias primas como paja, madera y otros residuos de origen vegetal. Los combustibles ricos en carbono predominan debido a la compatibilidad directa de los residuos lignocelulósicos con los procesos termoquímicos que producen de manera eficiente productos sólidos estables y de alta energía como el biocarbón, el carbón vegetal, el coque, etc.

A continuación, en importancia, se encuentran los combustibles basados en hidrocarburos alifáticos, que se producen mediante procesos químicos y termoquímicos como la hidrogenación, el craqueo y la descomposición térmica. Estos métodos se aplican normalmente a aceites de origen vegetal y residuos lignocelulósicos. La importancia de estos hidrocarburos refleja los esfuerzos continuos para desarrollar biocombustibles directos que puedan sustituir a los combustibles fósiles convencionales en aplicaciones industriales y de transporte. 

Los ésteres, con el biodiésel como principal representante, se sintetizan predominantemente mediante transesterificación, utilizando aceites derivados de plantas como materia prima principal. El elevado número de documentos sobre este producto indica la escalabilidad y el apoyo normativo que ha recibido el biodiésel en los últimos años. 

Otros productos relacionados con el combustible, como los hidrocarburos aromáticos, alquitranes, alcoholes, fenoles, aldehídos y cetonas, se obtienen predominantemente mediante la descomposición térmica de residuos y desechos de origen vegetal. Por último, los ácidos carboxílicos, azúcares y oligosacáridos se generan mediante procesos bioquímicos, especialmente la fermentación, empleando materias primas como paja y aceites derivados de plantas. 

Este mapeo exhaustivo destaca cómo se pueden derivar numerosos productos combustibles a partir de la biomasa a través de rutas de conversión distintas pero interconectadas, enfatizando la importancia estratégica de la selección de materias primas y la optimización de procesos en el avance de las tecnologías de biocombustibles.

Para identificar la dinámica de crecimiento interanual (YoY) de los componentes clave de conversión de biomasa, generamos un diagrama de dispersión que resume las tendencias de los últimos tres años (ver Figura 7). Específicamente, la Figura 7A destaca la tasa de crecimiento de diversos productos basados en combustibles, la Figura 7B se centra en las variaciones de las materias primas y la Figura 7C captura los avances en los procesos de conversión. En conjunto, estas tendencias proporcionan información sobre la dinámica cambiante de la utilización de la biomasa, lo que refleja el progreso tecnológico y la adaptación al mercado dentro del sector de la bioenergía.

Figura 7: Gráficos de dispersión que muestran las tendencias de crecimiento interanual con respecto al número de publicaciones observadas para (A) productos basados en combustibles, (B) materias primas y (C) procesos de conversión en la Colección de contenidos CAS. Los puntos de datos están codificados por colores según el porcentaje de patentes, donde el rojo indica la mayor proporción de patentes y el verde la menor.

La figura 7A muestra que los combustibles derivados de hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, polímeros y compuestos heterocíclicos han exhibido el mayor crecimiento interanual en los últimos tres años, lo que indica un fuerte impulso a pesar de sus distintos niveles de madurez tecnológica. Cabe destacar que el aumento en las publicaciones de patentes para hidrocarburos alifáticos apunta a un interés comercial significativo en alternativas de base biológica a los combustibles fósiles convencionales. 

Por el contrario, los aldehídos y las cetonas muestran un crecimiento cercano a cero a pesar de una actividad de investigación moderada, lo que puede reflejar desafíos técnicos no resueltos o un potencial de mercado limitado para estos compuestos como combustibles primarios. Curiosamente, los compuestos nitrogenados muestran solo una tasa de crecimiento modesta, pero exhiben el mayor porcentaje de publicaciones de patentes, lo que señala esfuerzos comerciales específicos para explotar sus propiedades químicas únicas en aplicaciones especializadas de biocombustibles. 

La figura 7B ilustra que las grasas y aceites animales, junto con las fibras, destacan con la mayor tasa de crecimiento, cercana al 30%, y el mayor porcentaje de actividad de patentes. Esto sugiere que estas materias primas están ganando terreno en aplicaciones prácticas más que en la investigación académica, posiblemente debido a su idoneidad para producir combustibles de alto valor, como el biodiésel y el combustible para aviones. 

Por el contrario, las grasas y aceites vegetales dominan la bibliografía, pero exhiben un crecimiento insignificante y un menor porcentaje de publicaciones de patentes, lo que indica que, si bien el interés de la investigación sigue siendo alto, la comercialización puede verse limitada por costes o restricciones en la cadena de suministro. Las cáscaras, el bagazo y los residuos de frutas se agrupan en torno a una tasa de crecimiento del 20% con una actividad de publicación moderada, lo que señala un papel creciente de los residuos vegetales en la conversión de biomasa. Sorprendentemente, los cultivos alimentarios, los biorresiduos y el estiércol muestran un crecimiento limitado a pesar de sus ventajas de sostenibilidad, lo que puede reflejar desafíos económicos o logísticos persistentes en la recolección, el procesamiento o la escalabilidad.

En la figura 7C, la pirólisis destaca con un impresionante crecimiento del 36% a pesar de una actividad de investigación solo moderada. Este aumento probablemente refleja sus ventajas inherentes, como el procesamiento rápido, la capacidad de manejar materias primas húmedas y la producción de múltiples productos de alto valor, como biocarbón, bioaceite y gas de síntesis. Los procesos termoquímicos tradicionales, como la carbonización y la gasificación, exhiben una relación inversa entre el volumen de publicaciones y la tasa de crecimiento. Aunque estos métodos mantienen su relevancia industrial, como lo refleja su alta proporción de patentes, su crecimiento más lento sugiere que están alcanzando la madurez tecnológica, lo que a su vez reduce el impulso de la investigación. 

Las reacciones hidrotérmicas emergen como una vía particularmente prometedora, combinando una fuerte tasa de crecimiento del 26% con una actividad de patentes significativa. Esta tendencia indica innovaciones comercialmente viables en el procesamiento a temperatura moderada, ofreciendo una posición única entre los métodos térmicos agresivos y las rutas bioquímicas suaves. La hidrogenación, aunque exhibe un crecimiento interanual muy bajo y una producción de investigación limitada, muestra una alta proporción de solicitudes de patentes, probablemente debido a su versatilidad en la producción de combustibles y productos químicos de plataforma a partir de diversas materias primas. Los procesos biológicos, a pesar de sus credenciales de sostenibilidad, se quedan atrás en el crecimiento, posiblemente limitados por una cinética de reacción lenta y desafíos de escalabilidad que continúan limitando su adopción industrial. 

En conjunto, estas tendencias destacan cómo la madurez tecnológica, el interés comercial y la escalabilidad están dando forma al futuro de la conversión de biomasa hacia soluciones más eficientes y orientadas al mercado.

Identificamos las 15 sustancias principales dentro de la categoría de combustibles y realizamos un análisis de coocurrencia para cuantificar y visualizar las asociaciones entre estas sustancias y sus respectivas materias primas y procesos de conversión (ver Figura 8). Este enfoque permitió la identificación de las materias primas dominantes y las vías de proceso que contribuyen a la síntesis de cada sustancia relacionada con el combustible.

Figura 8: Mapa de calor que ilustra la coocurrencia entre las sustancias de productos en la categoría de combustibles y sus materias primas y procesos de conversión asociados. Fuente: CAS Content Collection.

El hidrógeno cuenta con el mayor número de documentos, lo que subraya su importancia como un combustible limpio y renovable con aplicaciones de gran alcance en energía y transporte, tales como vehículos de pila de combustible, sistemas de energía de respaldo, calefacción industrial y almacenamiento de energía en red. Se obtiene principalmente a través de procesos termoquímicos como la gasificación y la descomposición térmica de residuos lignocelulósicos como madera, paja y serrín. 

El carbono es la siguiente sustancia más destacada, utilizada habitualmente como combustible sólido en forma de carbón vegetal y coque debido a su alto contenido en carbono y densidad energética. Además, los materiales a base de carbono, como el carbón activado, se emplean en almacenamiento de energía y aplicaciones de conversión, particularmente como materiales de electrodos en baterías. Estas formas de carbono se obtienen principalmente de la carbonización de fuentes de biomasa como la madera y la paja. 

El metano ocupa el siguiente lugar en esta categoría y se deriva principalmente de fuentes de biomasa como la paja y el estiércol mediante procesos de gasificación y fermentación. El metano se utiliza ampliamente como biocombustible para la generación de electricidad, calefacción y como combustible de transporte en forma de biogás o biometano comprimido. 

Además, el monóxido de carbono (CO) generado durante la gasificación de residuos lignocelulósicos puede combinarse con hidrógeno para formar gas de síntesis, una mezcla de combustible versátil utilizada para la generación de electricidad. El etanol también se utiliza como biocombustible en vehículos debido a su alto octanaje, su naturaleza de combustión limpia y su producción renovable a partir de la fermentación de diversas fuentes de biomasa como paja, bagazo, cultivos alimentarios y microorganismos. 

Productos químicos y materiales de plataforma: Análisis de materias primas, procesos de conversión y productos

Realizamos un conjunto similar de análisis para comprender la categoría de productos de químicos y materiales de plataforma. En primer lugar, exploramos la correlación entre las materias primas de biomasa, los procesos de conversión y estos productos químicos (véase la Figura 9). 

Figura 9: Diagrama de Sankey que conecta los productos químicos de plataforma y los productos materiales con sus respectivos procesos de conversión y materias primas, basado en el número de documentos en la CAS Content CollectionTM.

El análisis indicó que los materiales de carbono se producen principalmente mediante carbonización, un proceso que aumenta el contenido de carbono, reduce la materia volátil y confiere una estructura porosa al producto final. La descomposición térmica y las reacciones hidrotérmicas también son procesos termoquímicos significativos empleados en la síntesis de materiales de carbono, como el carbón vegetal, la fibra de carbono y los materiales carbonosos. Las materias primas de biomasa sometidas habitualmente a carbonización incluyen paja, madera y fibras.

Uno de los principales procesos para generar compuestos aromáticos a partir de biomasa es la despolimerización, que implica la descomposición catalítica de polímeros complejos como la lignina. La descomposición térmica y la hidrogenación son otros dos procesos destacados para generar compuestos aromáticos. 

La producción de polímeros a partir de biomasa depende principalmente de la polimerización, que suele seguir a procesos de fermentación que también producen monómeros de base biológica para su posterior polimerización. También se utilizan otros enfoques, como la transesterificación, la carbonización y la hidrólisis, que ofrecen vías hacia polímeros funcionales y materiales ricos en carbono, dependiendo de la naturaleza de la biomasa y de las condiciones de procesamiento.  

La hidrogenación es el método predominante para la síntesis de alcoholes e hidrocarburos. Los derivados de ácidos grasos se obtienen principalmente mediante reacciones de transesterificación. Esta preferencia se atribuye en gran medida a la naturaleza de sus fuentes primarias: triglicéridos, ácidos grasos, grasas vegetales ricas y aceites, lo que los hace muy adecuados para la transesterificación con el fin de generar otros ésteres. La hidrólisis, incluida la hidrólisis enzimática, se encuentra entre los procesos clave asociados a la conversión en azúcares y oligosacáridos. 

La paja y la madera también están asociadas predominantemente a procesos de hidrólisis, que convierten eficazmente sus componentes lignocelulósicos en derivados del azúcar. Los ácidos orgánicos se obtienen mayoritariamente mediante hidrólisis y descomposición térmica. Las cetonas y los aldehídos están vinculados predominantemente a la descomposición térmica y la hidrogenación, mientras que los compuestos nitrogenados están asociados principalmente a la hidrogenación. En general, nuestro análisis ofrece una visión global de cómo los diversos procesos de conversión están vinculados a materias primas de biomasa específicas y cómo estos procesos determinan los tipos de productos obtenidos.

También analizamos el crecimiento interanual promedio para el período 2021-2024 y el porcentaje de patentes para identificar temas emergentes y aquellos con alto interés comercial (ver Figura 10).

Figura 10: Crecimiento medio frente al número de publicaciones y porcentaje de patentes para temas seleccionados en la categoría de productos químicos y materiales de plataforma. (A) productos; (B) fuentes; (C) procesos. Fuente: Contenido CAS.

Los ácidos orgánicos están experimentando un crecimiento sólido con una actividad de patentes moderada, lo que refleja su papel como moléculas de plataforma para la síntesis de polímeros e intermedios químicos. Este crecimiento está impulsado por los avances en la conversión catalítica de azúcares en ácido levulínico, ácido succínico y otros bloques de construcción, con un creciente interés industrial en alternativas de base biológica a los ácidos derivados del petróleo.  

Los polímeros mantuvieron un crecimiento constante con una actividad de patentes sustancial, lo que refleja la comercialización continua de poliésteres, poliuretanos y poliamidas de base biológica. El elevado número de publicaciones indica un interés de investigación sostenido en la mejora de las propiedades de los polímeros y el desarrollo de nuevos monómeros de base biológica, mientras que el alto porcentaje de patentes demuestra el compromiso industrial con la implementación en el mercado.  

Los hidrocarburos como productos exhiben un crecimiento notable con un volumen de publicaciones moderado y una alta actividad de patentes. Esta combinación indica un interés comercial en la producción de hidrocarburos de base biológica para aplicaciones de combustible y químicas. El crecimiento está impulsado por la necesidad de alternativas renovables a los hidrocarburos derivados del petróleo y los avances en las tecnologías de conversión catalítica.

Los cultivos alimentarios muestran el porcentaje de patentes más alto entre las materias primas, lo que indica un fuerte interés comercial a pesar del volumen moderado de publicaciones. Esta alta actividad de patentes refleja las cadenas de valor establecidas para el procesamiento de cultivos alimentarios y el camino relativamente sencillo hacia la comercialización que puede aprovechar la infraestructura agrícola existente. Las grasas y aceites vegetales también demuestran una alta actividad de patentes con un volumen sustancial de publicaciones. El alto porcentaje de patentes sugiere una viabilidad comercial establecida en la producción de biodiésel, oleoquímicos y aplicaciones especializadas.  

Los materiales lignocelulósicos como materia prima demuestran un crecimiento excepcional a pesar del volumen moderado de publicaciones. Estos pueden ser avances tecnológicos emergentes en el uso del recurso de biomasa más abundante. El crecimiento está impulsado por los avances en las tecnologías de pretratamiento, los sistemas enzimáticos y los enfoques de procesamiento integrado que abordan la recalcitrancia de la biomasa lignocelulósica. El bagazo también muestra un fuerte crecimiento con un volumen sustancial de publicaciones, lo que refleja su importancia como residuo agrícola fácilmente disponible. 

La mayoría de los procesos que muestran un alto crecimiento en los últimos años están relacionados con la conversión de polímeros naturales en biomasa. La degradación térmica de polímeros exhibe la tasa de crecimiento interanual más alta entre los procesos de conversión. Este notable crecimiento refleja el creciente interés en las tecnologías que pueden descomponer estructuras poliméricas complejas en la biomasa, particularmente la lignina y la celulosa, en unidades monoméricas valiosas. El bajo porcentaje de patentes sugiere que este campo todavía se encuentra en fases iniciales de investigación, con importantes oportunidades para el desarrollo de propiedad intelectual. 

La sacarificación demuestra un crecimiento excepcional con un volumen moderado de publicaciones. Esto refleja su papel fundamental en la conversión de biomasa lignocelulósica en azúcares fermentables. La despolimerización muestra un crecimiento sustancial impulsado por los avances en la despolimerización catalítica, el fraccionamiento basado en disolventes y las tecnologías de escisión selectiva de enlaces que permiten la producción dirigida de compuestos aromáticos y otros productos químicos valiosos.  

La pirólisis también muestra un alto crecimiento con un volumen de publicaciones moderado, lo que refleja la maduración tecnológica y el despliegue comercial. La pirólisis rápida para la producción de bioaceite y la pirólisis catalítica para productos químicos específicos están impulsando este crecimiento. El proceso se beneficia de su capacidad para manejar diversas materias primas y producir múltiples flujos de productos, lo que lo hace atractivo para el procesamiento distribuido y el desarrollo económico rural.  

La carbonización presenta una actividad de patentes excepcionalmente alta con el mayor volumen de publicaciones, lo que indica madurez tecnológica e innovación continua. El alto porcentaje de patentes refleja diversas aplicaciones, incluida la producción de carbón activado, biocarbón para la agricultura y materiales de carbono avanzados. Los impulsores comerciales incluyen los mercados de remediación ambiental, las aplicaciones de enmienda del suelo y las oportunidades emergentes en el almacenamiento de energía y el secuestro de carbono.  

La fermentación muestra una alta actividad de patentes con un volumen de publicaciones significativo, lo que refleja la madurez de las aplicaciones biotecnológicas. El alto porcentaje de patentes indica vías comerciales establecidas para el etanol, los ácidos orgánicos y otros productos de fermentación. La innovación continua se centra en microorganismos novedosos, ingeniería metabólica y enfoques de bioprocesamiento integrados.

Además de los productos analizados en secciones anteriores, analizamos las sustancias individuales indexadas con roles de producto (ver Figura 11). Los datos revelaron un enfoque de investigación significativo en 15 productos químicos de plataforma clave derivados de la conversión de biomasa, siendo el carbono, el 5-(hidroximetil)furfural (HMF) y el furfural los productos más estudiados.  

Figura 11: Los 15 productos principales de la categoría de productos químicos y materiales de plataforma, así como los procesos y fuentes que coexisten con estas sustancias. Fuente: CAS Content Collection.

El 5-(hidroximetil)furfural (HMF) y el furfural representan moléculas de plataforma furánica cruciales, que sirven como precursores de biocombustibles, polímeros y productos químicos finos. El HMF es particularmente valioso para producir ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), una alternativa renovable al ácido tereftálico en la producción de poliéster. El alcohol furfurílico, derivado de la hidrogenación del furfural, encuentra un uso extensivo en resinas de fundición, adhesivos y como precursor de resinas furánicas.  

Los materiales de carbono derivados de los procesos de carbonización de biomasa producen carbones activados, biocarbón y nanomateriales de carbono esenciales para la remediación ambiental, el almacenamiento de energía y las aplicaciones de enmienda del suelo. El importante interés de investigación refleja la versatilidad de los materiales de carbono derivados de la biomasa en abordar múltiples desafíos de sostenibilidad.  

Los compuestos fenólicos, incluidos el fenol y el guayacol, son vitales para producir resinas fenólicas, alternativas al bisfenol A y diversos productos intermedios farmacéuticos. El guayacol, con su funcionalidad metoxi, ofrece oportunidades únicas para producir vainillina y otros aromáticos de valor añadido. El ácido levulínico es significativo como molécula de plataforma para producir γ-valerolactona, metiltetrahidrofurano y diversos ésteres utilizados como aditivos de combustible y disolventes verdes. Los ácidos acético y fórmico sirven como productos intermedios químicos y como productos para aplicación industrial directa. Los productos gaseosos, incluidos el hidrógeno, el dióxido de carbono, el monóxido de carbono y el metano, demuestran la integración de la conversión de biomasa con la producción de energía y la generación de gas de síntesis. La producción de hidrógeno a partir de biomasa es particularmente relevante para la economía emergente del hidrógeno.

El análisis revela patrones distintos en la selección del proceso de conversión para diferentes productos químicos de plataforma. La carbonización domina la producción de carbono, lo que refleja su eficacia en la obtención de materiales con alto contenido de carbono mediante tratamiento térmico. Los procesos de hidrólisis, tanto químicos como enzimáticos, resultan fundamentales para la descomposición de polímeros naturales de biomasa complejos. La importancia de la hidrólisis en la producción de HMF y furfural subraya su papel en la conversión de fracciones celulósicas y hemicelulósicas en compuestos furánicos. 

La alta coincidencia de la hidrólisis enzimática y la fermentación con el etanol refleja su papel en la descomposición de la celulosa en azúcares fermentables como la glucosa, seguida de la fermentación para producir bioetanol. Los procesos de descomposición térmica y despolimerización muestran una relevancia particular para la producción de compuestos aromáticos, con fuertes asociaciones con el guayacol y el fenol. Estos procesos descomponen eficazmente las estructuras de lignina para liberar valiosos compuestos aromáticos.

El análisis de la materia prima revela que los residuos agrícolas predominan como insumos para la producción de productos químicos de plataforma. La paja (que incluye la de maíz, arroz y trigo) muestra el mayor uso en múltiples productos, con una fuerte representación en la producción de furfural y HMF. Esto refleja el alto contenido de pentosanos y hexosanos en estos materiales, lo que los hace ideales para la producción de compuestos furánicos.  

La biomasa de madera demuestra versatilidad como materia prima, mostrando coincidencias significativas con la producción de carbono, furfural, fenol y guayacol. El alto contenido de lignina en la biomasa leñosa la hace particularmente adecuada para producir productos químicos de plataforma aromáticos mediante despolimerización. La coincidencia sustancial con la producción de carbono también refleja el papel tradicional de la madera en la fabricación de carbón vegetal y carbón activado. El bagazo muestra un uso equilibrado en múltiples productos, siendo la producción de furfural y carbono sus asociaciones más altas. 

Direcciones futuras para los productos de biomasa 

El campo de la conversión de biomasa muestra una actividad de investigación significativa, con publicaciones en revistas que superan a las patentes, lo que sugiere que la comercialización de estos materiales sigue siendo un desafío. Para lograr una adopción generalizada, los biocombustibles y productos bioquímicos deben superar el dilema de alimentos frente a combustible, dependiendo esencialmente de insumos de base biológica no alimentarios para generar combustibles y productos químicos sin restringir el suministro de alimentos ni aumentar los precios de los mismos. La eficiencia energética y la limitación de las emisiones de los procesos de conversión también son clave para hacer que estos materiales sean económica y ambientalmente viables.

Estos desafíos son formidables, pero no insuperables. Las crecientes preocupaciones ambientales y los límites de los recursos de combustibles fósiles seguirán impulsando el interés en las fuentes de energía y productos químicos derivados de la biomasa. La descarbonización industrial continuará a medida que el mundo se enfrente a los impactos del cambio climático, y los biocombustibles y productos bioquímicos son componentes importantes de los procesos industriales con menores emisiones.

Como muestra nuestro análisis del panorama de publicaciones, existe una amplia oportunidad para aprovechar las materias primas de biomasa y diversos métodos de conversión en productos industriales muy demandados. El volumen de investigación hasta la fecha demuestra que la ciencia está avanzando y, con avances continuos, estos materiales de base biológica pueden dar el salto de innovaciones experimentales a insumos comunes de los que depende la economía moderna.

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