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Biocombustibles I: Biohidrógeno

Hoy, con esta entrada, empiezan una serie de artículos, que iré sacando poco a poco, sobre las bioenergías. Sin ninguna duda, la producción de energía de forma totalmente limpia es una de las aplicaciones más importantes de la biotecnología, y es fundamental que todo el mundo conozca el potencial que se esconde tras esta rama de la investigación para poder cambiar, tan pronto como sea posible, el uso actual de los recursos de nuestro planeta.

El hidrógeno será posiblemente el combustible del  futuro. Por muchos motivos representa una alternativa muy conveniente para reemplazar a los combustibles convencionales: es renovable, limpio y produce durante su combustión únicamente vapor de agua y energía. Además  posee el mayor contenido energético por unidad de peso, 122‐142 kJ/g, comparado con cualquier combustible conocido.

¿Cómo se produce el biohidrógeno?

Existen varias alternativas para producir hidrógeno: la electrólisis de agua, la reformación termocatalítica de combustibles fósiles y la combustión de biomasa. Actualmente el 96% del hidrógeno producido se obtiene a partir del reformado del gas natural (metano) con vapor de agua, pero esto implica el gasto de una fuente de energía no renovable para su obtención y la emisión de gases dañinos al medio ambiente.

Reacción de reformado del metano con vapor de agua

Reacción de reformado del metano con vapor de agua

Planta de reformado de gas metano

Planta de reformado de gas metano

Así pues, se hace evidente la necesidad actual por producir hidrógeno de origen biológico. Hay muchos equipos de investigación trabajando en el tema, pero las siguientes aproximaciones son las más estudiadas y prometedoras a día de hoy.

  • Biofotólisis del agua empleando algas y cianobacterias

La fotosíntesis es un mecanismo por el cual un organismo (fotosintético) absorbe energía lumínica y la transforma en energía química. La energía química se almacena en enlaces químicos, formando las moléculas orgánicas, principalmente azúcares. Las plantas verdes fotosintetizan sus carbohidratos utilizando poder reductor (los electrones) del agua, y recolectando la luz solar mediante pigmentos. Al oxidar el agua producen O2 (que se libera a la atmósfera) y obtienen los electrones, que entran en un proceso denominado “cadena transportadora de electrones”.

Esquema en Z de la cadena de transporte de electrones

Esquema en Z de la cadena de transporte de electrones

La finalidad de esta cadena es pasar electrones de alta energía a lo largo de varias proteínas de membrana y los complejos de fotosistemas I y II. Cada proteína utiliza parte de la energía de los electrones para generar un gradiente de protones a través de dicha membrana. Los protones, en mayor concentración a un lado de la membrana, tenderán a moverse hacia el otro lado siguiendo su gradiente de concentración. La energía de este movimiento se almacena en forma de ATP mediante una ATPasa de membrana. Los electrones, al finalizar la cadena, se unen desde la proteína de membrana ferredoxina a una molécula de NADP+ que se transforma en NADPH.

La biofotólisis consiste en la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno gracias a la luz solar y la capacidad fotosintética de algas y cianobacterias. En este proceso entran en juego dos tipos de enzimas que producen hidrógeno: las hidrogenasas y las nitrogenasas.

Las hidrogenasas producen H2 utilizando esos electrones al final de la cadena, uniéndolos a un protón, en lugar de a NADP+. Catalizan la reacción siguiente, donde X representa a una molécula portadora de electrones (normalmente la ferredoxina (Fd)), que se reduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de la biofotólisis.

Reacción catalizada por la enzima hidrogenasa

Reacción catalizada por la enzima hidrogenasa

Por su parte las nitrogenasas catalizan la reacción de fijación de nitrógeno atmosférico, y en una reacción secundaria, cataliza la reducción de protones.

Reacciones catalizadas por la enzima nitrogenasa

Reacciones catalizadas por la enzima nitrogenasa

¿Y qué microorganismos hacen esto?  Las cianobacterias filamentosas utilizan la enzima nitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzima hidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso.

  • Fotofermentación de compuestos orgánicos por bacterias fotosintéticas

Algunos organismos procariotas son capaces de realizar un proceso muy importante a nivel ecológico, la fijación de nitrógeno. El nitrógeno es un componente fundamental de todos los seres vivos y se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa. Para que el N2 se incorpore a los compuestos y moléculas de un organismo, primero debe tomar una forma orgánica.

La fotofermentación tiene lugar bajo condiciones anaeróbicas, y es realizada por un grupo de bacterias fotosintéticas (bacterias púrpura) que realizan una fotosíntesis anoxigénica. Se llaman “púrpuras” porque son fototróficas y captan la energía de la luz mediante bacterioclorofilas y carotenos que le dan ese color. Estas bacterias fototróficas no captan CO2 del aire como las plantas verdes, sino que utilizan una gran diversidad de compuestos orgánicos como fuente de carbono, por ejemplo ácidos grasos, azúcares y aminoácidos.

Colonias de Rhodobacter sphaeroides (abajo)

Colonias de la bacteria púrpura Rhodobacter sphaeroides (abajo)

  • Fermentación oscura de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos por bacterias anaerobias

A diferencia de la fotofermentación, la fermentación oscura se lleva a cabo de forma independiente a la luz y los microorganismos necesitan como fuente de carbono glucosa, xilosa, almidón, celulosa u otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos.

Reacción producida durante la fermentación oscura, conocida como vía del acetato, y en la que se producen e moles de hidrógeno por mol de glucosa consumida.

Reacción producida durante la fermentación oscura, conocida como vía del acetato, y en la que se producen e moles de hidrógeno por mol de glucosa consumida.

A pesar de no habérsele prestado tanta atención como a la producción de hidrógeno por microorganismos fotosintéticos, la producción de hidrógeno a partir de la fermentación oscura presenta claras ventajas para llevarla a escala industrial: las bacterias fermentativas presentan una alta tasa de producción de hidrógeno, pueden producir hidrógeno de forma constante, noche y día, a partir de materia orgánica, pueden alcanzar tasas de crecimiento suficientes como para mantener el sistema, y además se producen metabolitos con interés comercial (ácidos orgánicos).

La fermentación oscura es la técnica que ha demostrado poseer un mayor potencial, ya que, además de alcanzarse una producción de H2 mayor, resulta la más fácil de realizar técnicamente, los requerimientos energéticos son menores, la economía del proceso resulta más favorable y, por tanto, más factible comercialmente. Sin embargo, también se ha demostrado que un sistema de producción de H2 en tres etapas (los tres sistemas anteriores acoplados) incrementa el rendimiento de cada sistema por separado.

Fuentes:

Martínez y García. Fermentación oscura, fotofermentación y biofotólisis: análisis de su aplicación en secuencia para la producción de hidrógeno biológico.

 

“Esta entrada participa en el LV Carnaval de Química alojado en el blog La Ciencia de la vida de@biogeocarlos.”

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Bioetanol y otros biocombustibles / Bioethanol and other biofuels

El modelo energético del siglo XXI está basado en la utilización de combustibles fósiles, como el petróleo, el carbón mineral y el gas. No obstante todos conocemos las implicaciones medioambientales que surgen de este modelo: producción de gases de efecto invernadero y otros contaminantes así como posibles derrames de petróleo.

Las energías renovables son sin duda la solución frente a este sistema actual. Los biocombustibles son aquellos de origen biológico obtenidos de manera renovable a partir de restos orgánicos, por ejemplo,  el bioetanol. Se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica vegetal (almidón, celulosa, hemicelulosa…) por parte de microorganismos.

Proceso de obtención de bioetanol.

Proceso de obtención de bioetanol.

Otro ejemplo sería el biobutanol. Para la obtención de biobutanol, debido a la toxicidad de los productos y a la baja concentración de producto obtenido, es necesaria la obtención de microorganismos mejorados genética y metabólicamente. Se emplean microorganismos del género Clostridium y se buscan nuevas cepas más resistentes a posibles inhibidores o tóxicos (biobutanol) así como cepas que puedan alimentarse de una variedad más amplia de sustratos.

Etapas de la producción de biobutanol.

Etapas de la producción de biobutanol.

Finalmente, es necesario hablar del enorme potencial de la producción de biodiesel. Las materias primas más utilizadas para su obtención son semillas de plantas oleaginosas (colza, girasol, soja, coco) y frutos (palma), aunque también pueden usarse aceites de fritura.

Proceso de producción de biodiesel a partir de semillas de plantas oleaginosas.

Proceso de producción de biodiesel a partir de semillas de plantas oleaginosas.

No obstante lo que queremos destacar es el uso de lípidos de origen microbiano: algas, bacterias y hongos. Las microalgas han sido elegidas porque existen numerosas especies que son ricas en triglicéridos. Algunos géneros de microalgas, principalmente de clorofíceas y diatomeas son capaces de acumular una gran cantidad de lípidos, hasta un 80% de su peso seco, pero en condiciones de estrés, es decir, cuando ven que su crecimiento está limitado. Una vez seleccionada la cepa de microalga con mejor rendimiento, se cultivan en grandes estanques (abiertos o en invernaderos) o en fotobiorreactores. Después de la cosecha, se puede extraer los triglicéridos de las células con diferentes métodos (centrifugación, tratamiento con disolvente, lisis térmica, etc.). La extracción más simple y más popular utiliza como disolvente el hexano. Combinado a un sistema de presa, la extracción con hexano puede extraer hasta 95% del aceite contenido en las células de microalgas.


 

The energy model of the XXI century is based on the use of fossil fuels such as oil, coal and gas. However we all know the environmental implications arising from this model: production of greenhouse gases and other pollutants and possible oil spills.

Renewable energy is definitely the solution to the current system. Biofuels are those of biological origin derived renewably from organic waste, for example, bioethanol. It is produced by fermentation of the sugars contained in plant organic matter (starch, cellulose, hemicellulose …) by microorganisms.

Another example would be biobutanol. To obtain biobutanol, due to toxicity of products and the low concentration of product obtained, obtaining microorganisms metabolically and genetically improved is necessary. Microorganisms of the genus Clostridium are used nowadays for this purpose, however researchers are looking for new strains that show to be more resistant to potential inhibitors or toxic compounds (biobutanol), and strains that can feed on a wider variety of substrates.

Finally, we must mention the enormous potential hidden in the production of biodiesel. To obtain it, the raw materials consist mainly in seeds of oilseeds plants (rapeseed, sunflower, soybean, coconut) and fruits (palm), but frying oils can also be used. However, what we want to highlight is the use of microbial lipids: algae, bacteria and fungi. Microalgae have been chosen because there are many species that are rich in triglycerides. Some kinds of algae, mainly diatoms and chlorophyceae are able to accumulate a huge amount of fat, up to 80% of its dry weight, but only under stress conditions, that is, when they see that their growth is limited. Once selected the microalgae strain with improved performance, they are grown in large ponds (open or in greenhouses) or in photobioreactors. After harvest, triglycerides can be extracted from cells with different methods (centrifugation, solvent treatment, thermal analysis, etc.). The simplest and most popular extraction method uses hexane as solvent. Combined with a dam system, hexane extraction can remove up to 95% of the oil contained in the cells of microalgae.

As a curiosity we leave you a video where you can see how biodiesel is manufactured at home.

A modo de curiosidad os dejamos un video en el que podéis ver como se fabrica biodiesel casero.

Fuentes/Sources:

Biofuels from microalgae—A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Liam Brennan, Philip Owende. Renew Sustain Energy Rev (2009), doi:10.1016/j.rser.2009.10.009.

Cultivation, photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production: A critical review. Chun-Yen Chena et al. Bioresource Technology. Volume 102, Issue 1, January 2011, Pages 71–81. Special Issue: Biofuels – II: Algal Biofuels and Microbial Fuel Cells.