Los avances en biohidrgeno fermentativaProduccin: El camino a seguir?Un esfuerzo significativo est en marcha para desarrollar biocombustibles como sustitutos de los combustibles fsiles no renovables. Entre las diversas opciones, el hidrgeno es una energa atractiva para el futuro debido a su potencialmente mayor eficiencia de la conversin de potencia utilizable, baja generacin de contaminantes y alta densidad de energa. Hay una variedad de tecnologas para la produccin biolgica de hidrgeno; aqu, nos concentramos en la produccin de hidrgeno por fermentacin y resaltar algunos enfoques recientemente aplicados, tales como superficie de respuesta metodologa, diferentes configuraciones de reactor y organismos que se han utilizado para maximizar la produccin de hidrgeno tasas y rendimientos. Sin embargo, no son significativas restantes barreras a la aplicacin prctica, como la baja los rendimientos y las tasas de produccin, y discutimos varios mtodos, entre ellos dos procesos de la etapa de ingeniera y metablica, que estn dirigidas a la superacin de estas barreras.Introduccin

Los retos conjuntos del cambio climtico antropognico y la disminucin de las reservas de combustibles fsiles estn impulsando la investigacin intensa en fuentes de energa alternativas. Una va atractiva es utilizar un proceso biolgico para producir biocombustible. Entre las diversas opciones de biocombustibles, gas biohidrgeno es un atractivo portador de futuro de la energa debido a su eficiencia potencialmente mayor de la conversin de energa utilizable, baja en generacin inexistente de los contaminantes y de alta densidad de energa. Los procesos de produccin biolgicos de hidrgeno se pueden clasificar en tres principales categoras: biopirolisis de agua utilizando algas y cianobacterias; fotodescomposicin de compuestos orgnicos por las bacterias fotosintticas (fotofermentacion); y fermentativa la produccin de hidrgeno a partir de desechos orgnicos o cultivos energticos (Recuadro 1) [1]. Rendimientos Sin embargo, las bajas tasas de produccin han sido los principales obstculos a la prctica de aplicacin de tecnologas de biohidrgeno. La investigacin intensiva sobre biohidrgeno est en marcha, y en los ltimos aos varios enfoques nuevos han sido propuesto y estudiado para superar estos inconvenientes. Aqu nos concentramos principalmente en la produccin de hidrgeno por fermentacin, para los que ha habido una explosin virtual de los artculos de investigacin ltimamente (pero no de hidrgeno, todava no!), y muchos comentarios recientes sobre aspectos especficos estn disponibles [2-7]. Se discuten nuevas tcnicas y mejoras existentes, que se han utilizado en los intentos de aumentar las tasas de produccin de hidrgeno y de los rendimientos. Algunas de las tcnicas discutidas han permitido grandes aumentos en hidrgeno las tasas de produccin, y este avance ha trado la produccin fermentativa de hidrgeno hasta el punto donde la tarifa de produccin con sustratos reales (residuos) bajo realista condiciones estn acercando los niveles prcticos. Por supuesto, es demasiado pronto para poder definir exactamente lo que podra ser un nivel prctico para la produccin de biohidrgeno, pero un spero criterio puede obtenerse mediante el examen de un proceso detallado de anlisis de la produccin de etanol por productor lignocelulsicos [8], donde el diseo se centra alrededor de una planta capaz de producir 50 a 100 kJ / l / h de etanol; el cual como equivalente de hidrgeno sera de 5 a 10 l / l / h.El gran obstculo que queda es la incompleta conversin y por consiguiente bajo rendimiento. Tcnicas tradicionales, tales como la manipulacin y optimizacin de parmetros de bioprocesos o de los organismos utilizados, han fracasado para lograr ms de ~25% de conversin de sustrato a H2. De hecho, esto es una consecuencia directa de la termodinmica de los procesos metablicos conocidos, un hecho sealado tericamente Hace ms de treinta aos [9] y ahora demostrado ampliamente en la prctica (por ejemplo, ver [10]). Adems de H2, microbios fermentadores de hidrgeno hacen otros productos a satisfacer sus necesidades metablicas y de mayor crecimiento; estos incluyen acetato, que permite la sntesis de ATP, y una variedad de productos reducidos (por ejemplo, etanol, butanol y cido butrico) que permite la reoxidacin del NADH, que es necesarias para la gluclisis continua (vase las figuras 1 y 2). Tipos y proporciones relativas de los productos depende del organismo, las condiciones ambientales (pH y la parcial presin de hidrgeno) y el estado de oxidacin del sustrato est degradando. Por lo tanto, se cree que las fermentaciones se limitan a producir ya sea como mximo 2 H2 / glucosa (tipo de bacterias de la fermentacin entrica de cido mixto) o 4 H2 / glucosa (de tipo clostridios fermentacin) [2]. Por lo tanto, los rendimientos son bajos, y dos tercios de la de carbono y protones en el sustrato se excretan como otros productos y desperdiciado. Varios enfoques, incluyendo la ingeniera metablica y diversos procesos de dos etapas, se estn investigando activamente en un intento de resolver este problema, y stos se discuten a continuacin.Las tcnicas para la mejora de biohidrgeno

En primer lugar, se examinan algunas de las tcnicas tradicionales que se han aplicado para la produccin de biohidrgeno y discutir a Hasta qu punto tienen, o pueden, contribuir a aumentar la produccin de biohidrgeno. Las tcnicas para la mejora de biohidrgeno tienden a buscar a travs de las configuraciones de biorreactores especializados (ver Tabla 1). Esto ha llevado a los sistemas con ms robusto, rendimiento que son estables durante largos perodos de tiempo (meses) y resistente a las fluctuaciones a corto plazo en parmetros de funcionamiento. Adems, volumtrica optimizado las tasas de produccin se podan obtener. Fermentaciones de biohidrgeno, como la mayora de otros tipos de fermentacin, se pueden llevar a cabo tanto en modo discontinuo o continuo. El modo por lotes de fermentaciones han demostrado ser ms adecuado para estudios de optimizacin iniciales [4,11], pero cualquier proceso industrial tienen que ser realizados en un proceso continuo o al menos semi-continua (alimentado o secuenciacin batch). Muchos estudios han empleado reactores continuos de tanque agitado (CSTR, ver Glosario), ya sea con cepas purificadas o mezclas microbianas [4,5,11]. CSTR, los sistemas de reactores continuos ms comnmente utilizados, la simple construccin, facilita la operacin y la eficacia homognea de mezcla. Sin embargo, en estos reactores, el tiempo de retencin hidrulico (HRT, ver Glosario) controla la tasa de crecimiento microbiano y por lo tanto HRT debe ser mayor que la mxima tasa de crecimiento del organismo (s), porque ms rpido la tasas de dilucin, estas causan lavado. Un segundo conceptual categora de reactores de flujo continuo, caracterizado por los medios de la retencin fsica de la biomasa microbiana, supera este problema y ofrece varias ventajas para un bioproceso prctico, porque el lavado es causado por la alta tasa de dilucin. y la concentracin de la biomasa microbiana se vuelven independiente de HRT, altas concentraciones de clulas pueden ser logrado, fomentando las altas tasas de produccin volumtrica, y de alto rendimiento, lo que permite el uso (y tratamiento) de los residuos con relativamente pequeos reactores de volumen. De hecho, muchos estudios recientes [3,5,11-22] han demostrado que las altas tasas de produccin volumtrica de lata de hidrgeno se lograron en estos reactores, y se dan algunos ejemplos en la Tabla 1. Retencin fsica de la biomasa microbiana se ha logrado por varios medios diferentes, incluyendo el uso de flculos o grnulos que se forman de manera natural mediante bio pelculas microbianas o a base de membranas remanentes. De hecho, hay muchas variaciones que hay casi tantos tipos de reactores diferentes, con asociado acrnimos (UASB, FBBAC, AFBR, ASBR, CIGSB, FBR), como hay laboratorios que llevan a cabo la investigacin en esta rea (Tabla 1). Desafortunadamente, esto tambin crea una situacin en que es muy difcil determinar si las diferencias en los diversos estudios se deben a diferentes reactores o a las diferencias en los parmetros de funcionamiento. Futuros estudios podran ayudar a resolver esta ambigedad por comparar directamente diferentes configuraciones de reactor o, por lo menos, al operar bajo condiciones novedosa con unas configuraciones utilizadas en estudios previos. Un estudio que especficamente compararon dos tipos de reactores diferentes mostr que grnulos dieron un rendimiento superior sobre una bio pelcula, con aproximadamente tres veces mayor tasa de produccin de hidrgeno [21]. En general, el mayor avance de estos tipos de reactores ms de un CSTR es su gran aumento volumtrico en la tasa de produccin, que en algunos casos puede ser de hasta una asombrosa> 50 veces ms grande (vase la Tabla 1). Adems, estos tipos de reactores presentan un entorno favorable para el desarrollo y el mantenimiento de los consorcios microbianos mixto, que tienen ventajas que se describen a continuacin. Un potencial problema con estos tipos de reactores es la prdida de hidrgeno a travs de la formacin de metano. Debido a que las clulas que controlan el crecimiento ya no directamente por la TRH en los sistemas utilizando biomasa microbiana retenida, metangenos de crecimiento lento puede florecer incluso a altas tasas de rendimiento lquido. Ella Cabe sealar que los rendimientos obtenidos con hidrgeno estos sistemas no son mayores que los conseguidos con CSTR, y de hecho no hay ninguna razn para pensar que la tipo de reactor podra influir en el rendimiento.

El uso de consorcios microbianos mixtos

La mayora de los reactores descritos anteriormente dependen de la formacin de flculos o grnulos, que son macroscpicos agregados de clulas microbianas. La capacidad para formar estas partculas es un rasgo raro en un cultivo puro, pero puede ser fcilmente seleccionado por un cultivo mixto cuando se usa como un nculo. Tambin hay un nmero de otras posibles ventajas del uso de consorcios microbianos en lugar de puro culturas. Fermentaciones de hidrgeno industriales, tendrn que ser llevados a cabo en condiciones no estriles usando materias primas complejas disponibles slo con pretratamiento mnimo. Consorcios microbianos abordan estas cuestiones, ya que han sido seleccionados para el crecimiento y el dominio bajo condiciones no estriles. Como una comunidad compleja que son tambin probables que contenga un conjunto necesario de actividades hidrolticas, y son potencialmente ms robustos a cambios en condiciones ambientales [23].Un gran nmero de estudios recientes han examinado hidrgeno produccin utilizando consorcios microbianos, y algunos ejemplos relevantes se dan en la Tabla 1 (que otros pueden ser encontrados en otra parte [24]). El uso de consorcios microbianos tienden a demostrar ser tiles en sistemas de reactores que producen altas tasas volumtricas de produccin de hidrgeno, como se discute anteriormente. Sin embargo, tambin hay varios problemas asociados con su uso. Como comunidades complejas, su composicin puede variar con el tiempo, con los cambios en los parmetros del proceso y de reactor a reactor, como se demostr por molecular (16sRNA) estudios [25-28]. Una posible forma de superar este cuestin podra ser la construccin de consorcios "de diseo" [29] con el objetivo de crear una comunidad de diversos miembros, cada uno aportando una capacidad metablica nico y esencial. El rango metablico total sera mayor que cualquier miembro individual, mientras que al mismo tiempo interdependencia mutua asegurara el mantenimiento estable de los miembros individuales. Sin embargo, poco se sabe acerca de la complejas interacciones que se producen en los consorcios naturales o cmo comunidades microbianas sintticos estables se podran construir [30]. Por lo tanto, mucho trabajo adicional podra ser requerido antes de producir hidrgeno sinttico, podra convertirse en una realidad. Parece que la organizacin espacial dentro de un consorcio podra ser importante [31].

La mejora de la produccin de biohidrgeno por ingeniera metablica de las vas existentes

Ingeniera metablica ha recibido aumentar la atencin en los intentos de produccin de biohidrgeno, en los rendimientos de hidrgeno particulares [32-40]. Las mejoras en la produccin de hidrgeno por las vas existentes se pueden solicitar mediante el aumento del flujo a travs de un nocauts de genes por vas o aumento de la expresin homloga de enzimas participantes en las rutas de generacin de hidrgeno. La mayora de los estudios que emplean estas estrategias han utilizado el caballo de batalla de laboratorio para la ingeniera metablica. Escherchia coli (Tabla 2, Figura 1). La razn de a ver utilizando E. coli ha sido: (i) su genoma puede ser fcilmente manipulado; (ii) su metabolismo es el mejor entendido de todas las bacterias; y (iii) que se degrada fcilmente con variedades de azcares. En el lado negativo es el hecho de que restringe en el metabolismo los rendimientos de hidrgeno a 2 H2 / glucosa [2].Sin embargo, el uso de E. coli ha servido como prueba principal de la ingeniera metablica, esta se puede utilizar para lograr los rendimientos mximos de hidrgeno predicho por la teora (vase Tabla 2 y la Figura 1 para los genes que se han dirigido).La inactivacin de las vas que drenan las piscinas de piruvato, la fuente de electrones (a travs de formiato) para la reduccin de protones, se espera que aumente la produccin de hidrgeno, y se encontraron aumentos modestos en los rendimientos de H2 cuando LDHA (Lactato deshidrogenasa) [33-36] o frd (fumarato de reductasa) [35,36] fueron inactivados. En E. coli, que est formado a partir de piruvato, se degrada a H2 y CO2 por el FHL (formiato liasa-hidrgeno), y manipulaciones que condujeron a un aumento en la expresin de enzimas, tales como FdhH (formiato deshidrogenasa H) y Hyd3 (hidrogenasa 3), que tambin participan en esta va de aumento de los rendimientos de H2 [33-36]. Por otra parte, la cantidad total de hidrgeno producido se puede aumentar mediante la inactivacin de la hidrogenasas Hyd1 y Hyd2, que son potencialmente capaces para oxidar. Estos efectos son aditivos, y mutados, las cepas de E. coli que albergan mltiples mutaciones permiten el rendimiento de H2 demostrando que estaban cerca de la terica mximo de 2 H2 / glucosa para las vas metablicas que existir en este organismo [2]. Aunque menos estudiado hasta ahora, estas estrategias similares de ingeniera metablica podran aplicarse a otros organismos. Sin embargo, no parece posible superar los lmites actuales metablicos (2 a 4 H2 / glucosa) de este enfoque.

Otros intentos

Los nuevos modelos y nuevas optimizaciones se han llevado a cabo en los intentos de mejorar la produccin de biohidrgeno. Las tarifas y los rendimientos de la produccin de hidrgeno, como para muchos otros bioprocesos, son una funcin de varias variables, incluyendo el pH, temperatura, concentracin de sustrato y la disponibilidad de nutrientes, entre otros. Aunque muchos estudios han informado que los efectos varan los parmetros individuales uno a uno, el modelado y el anlisis podran ser usados para determinar los valores ptimos de los parmetros importantes pertinentes. Una variedad de modelados se han desarrollado como mtodos que son ampliamente aplicables a la gama de diversos campos, incluyendo la ingeniera, biologa, ciencias ambientales, la elaboracin de alimentos y la transformacin industrial, as como su aplicacin en la produccin de biohidrgeno es objeto de una revisin muy reciente [41]. Aunque las vas metablicas y los flujos son relativamente bien entendido de un cultivo puro de fermentacin de un definido sustrato, este tipo de anlisis, sin embargo, puede tener algunos valores para el modelado de las fermentaciones de sustratos complejos por consorcios microbianos que implican mltiples tipos metablicos con las interacciones desconocidas.Un tipo de tratamiento, es el anlisis de componentes principales [42], se utiliz recientemente para evaluar los efectos del pH, la TRH y mezcla en la produccin de hidrgeno [43]. Dos tipos principales de enfoques de modelado ampliamente usados que son pertinentes a la produccin de BioH2 son las redes neuronales artificiales (RNA, ver Glosario) y el diseo de experimentos (DOE, ver Glosario). RNAs se utilizaron con xito para modelar los resultados de la produccin de hidrgeno y la demanda qumica de oxgeno (DQO, ver Glosario) la eliminacin con un lodo anaerbico de flujo ascendente en un reactor de manta (UASB, ver Glosario) [44] y un ampliado reactor lecho granular de lodo (EGSB). DOE utiliza modelados estadsticos para analizar la relacin entre un conjunto de factores experimentales independientes y proponer un diseo apropiado para su verificacin experimental [46]. Un enfoque comn y poderoso del DOE es otorgado por el diseo factorial (FD), combinado con la respuesta metodolgica de superficie (RSM, ver Glosario) [47]. FD investiga las respuestas de mltiples factores que dependen de cada otro y permite la identificacin de los ms importantes parmetros que controlan el proceso y el grado de la interaccin entre ellos. El enfoque FD puede ser acoplado a los sistemas experimentales de RSM, que utiliza una respuesta de funcin para ajustar los datos experimentales obtenidos en diseos teorticos. Varios estudios recientes que investigan la produccin de hidrgeno por medio de fermentacin oscura, han aplicado FD y RSM con el objetivo de optimizar la produccin de hidrgeno (Tabla 3). Su resultados demuestran que este tipo de anlisis puede de hecho ser utilizado para optimizar varios aspectos de un biohidrgeno del proceso, incluidas las estrategias de tratamiento previo, las condiciones para la germinacin de esporas, las formulaciones de micronutrientes, la composicin del sustrato, de carbono / nitrgeno (C / N) y carbono / fosfato (C / P). La ms til aplicacin ha sido determinar el funcionamiento ptimo de condiciones con respecto a la terapia de reemplazo hormonal, pH y la concentracin de sustrato, es decir, la tasa de carga orgnica (OLR, ver Glosario). A pesar de todo se requieren condiciones similares para fermentaciones mesfilos, hay diferencias suficientes en algunos de los parmetros para justificar la necesidad de optimizacin de un sistema particular. Adems, estos mtodos podran ser tiles en el establecimiento de parmetros de proceso para nuevos consorcios o sustratos complejos (flujos de residuos). Por ltimo, cabe sealar que Aunque estos mtodos pueden optimizar rpidamente un particular, la fermentacin, que no puede mejorar an ms el rendimiento sobre lo que se podra obtener por mtodos ms clsicos de optimizacin, como se puede ver por los resultados reportados en Tabla 3.Micelas inversas tambin se han propuesto como unos posibles medios para aumentar la produccin de hidrgeno. Micelas inversas, esencialmente nano-estructuras de auto-montaje en el que un tensioactivo anfiflico se usa para atrapar a una hidrfila como catalizador biolgico, se han utilizado principalmente para investigar su capacidad para aumentar la estabilidad de la enzima, mejorar la enzima cintica y promover la particin de sustratos o productos entre la fase orgnica y acuosa [62,63]. La encapsulacin de las clulas enteras en micelas inversas ha sido mucho ms beneficiosa, y las medidas por clulas son mucho menos evidentes. Varios estudios de produccin de hidrgeno que se interrogue por diferentes compaeros de culturas en micelas inversas en los estudios de lotes a pequea escala. Sin embargo, las razones de los rendimientos ms altos observados no estn claras. Gran parte del trabajo, incluyendo una escala muy sustancial arriba, sigue siendo antes de este sistema podra ser explotado como un sistema de produccin de biohidrgeno prctico que podra funcionar continuamente sobre una base a largo plazo. En cualquier caso, es difcil ver cmo el uso de micelas inversas podra avanzar y mejorar los rendimientos o superar las mejoras volumtricas y las tasas de produccin ya alcanzados por configuraciones de reactor con biomasa microbiana retenida (vase ms arriba).Avanzar hacia la conversin del sustrato completo

Sin embargo, incluso con las mejoras indicadas anteriormente, el rendimiento del hidrogeno estn restringidas por las rutas metablicas existentes a cualquiera de 2 H2 / glucosa (Entero bacteracae) o, a lo sumo, 4 H2 / glucosa (clostridios) en presiones parciales dehidrgeno muy bajos. Las tcnicas ya discutidas no tienen, y no puede, aumentar el rendimiento ms all de estos lmites. Estos rendimientos son, sin embargo, prcticamente inaceptable por varias razones. Por un lado, no son competitivos con la produccin de otros biocombustibles, como el biometano o bioetanol, a partir de los mismos materiales de partida, debido a que la eficiencia de conversin de sustrato a estos biocombustibles es 80% o mayor. Por otra parte, las conversiones de sustrato incompleta durante fermentaciones de hidrgeno (dos tercios del sustrato es utilizado para fabricar otros productos; vase el recuadro 1 y las Figuras 1 y 2) dan lugar a la produccin de una gran cantidad de otros productos (es decir, contra reembolso), que posteriormente deben ser eliminados. Por lo tanto, el desarrollo de proceso de fermentacin para biohidrgeno requieren o bien la introduccin vas adicionales que permitiran una conversin estequiometrica (~ 12 H2 / glucosa) dentro de la clula microbiana o el desarrollo de un sistema de dos etapas que hara permitir la recuperacin de energa casi completas con la introduccin de un segundo proceso de generacin de energa, preferiblemente hidrgeno, a partir de los productos secundarios de la fermentacin que se producen en la primera etapa de fermentacin oscura como productores de hidrgeno.Vas de ingeniera metablica de nuevo hidrgeno-productores

Un enfoque para superar la barrera metablica es construir una va alternativa de productos hidrgenos, las cuales se encuentran en otros organismos; para ejemplo, el constructo de E. coli poda expresar altamente activo FeFe hidrogenasa (HydA), una enzima que es normalmente responsable de la evolucin de hidrgeno en la fermentacin es la Clostridia (Figura 2). Sin embargo, para la insercin adicional se requeriran genes porque E. coli no posee los genes Hyde, hydF y hydG, que son necesarios para la maduracin de FeFe hidrogenasa, ni ninguna va obvia para reducir esta hidrogenasa, que funciona con ferredoxina reducida. Como mnimo, dos genes ms Probablemente se requiera para impulsar la evolucin del hidrgeno significativa FDXA (tipo clostridial ferredoxina) y porA (piruvato ferredoxina oxidorreductasa / flavodoxina). Recientemente, una Se utiliz el enfoque artificial para construir un ferredoxina dependiente de NAD (P) H-H2 va E. coli. Dos plsmidos compatibles se utilizaron para introducir seis genes (hydF, -E, -G y -A, FDXA y yumC, que codifica una NAD (P) H: ferredoxina oxidorreductasa) bajo el control de promotores inducibles por IPTG T7. La produccin de hidrgeno, que era sensible a la variacin en el hidrgeno se observ presiones parciales como se esperaba. Sin embargo, los niveles de hidrgeno producido eran bastante bajo e insignificante en comparacin con lo que se observara con una E. coli de tipo salvaje. Sin embargo, la cepa husped, BL21 (DE3), es incapaz de metabolismo de hidrgeno, proporcionando una prueba de principio para la introduccin de una nueva va productora de hidrgeno. Estrategias adicionales, incluyendo el aumento de la actividad de hidrogenasa FeFe y modificando el metabolismo para generar mayores niveles de nucletidos reducidos, podra traer nuevas mejoras. Esta rea necesita claramente nuevos esfuerzos de investigacin si presentan lmites metablicos van a ser superado, lo que constituira un avance fundamental. Algunas sugerencias, basadas en el modelado computacional, de la forma de lograr este objetivo recientemente se han presentado y as incluir el aumento en gran medida a travs de la oxidacin de la glucosa por va del fosfato de pentosa con la conversin de la generada NADPH a NADH por transhidrogenasa. Adems, se ha sugerido que la respiracin limitada podra ser utilizado para diseminar completamente el sustrato derivado piruvato, la produccin de energa para conducir electrones inverso y producir ms de 4 H2 / glucosa) [1,2], pero esto nunca ha sido demostrado experimentalmente.

Sistemas de dos etapas hbridos

El principio bsico de un proceso es de dos etapas y es como sigue: (i) en la primera etapa, la fermentacin del sustrato a hidrgeno y cidos orgnicos tiene lugar en un proceso que ha sido optimizado el uso de una o varias de las tecnologas avanzadas descritas anteriormente; (ii) a continuacin, en la segunda etapa, energa gaseosa adicional, ya sea metano o (ms preferiblemente) de hidrgeno, se extrae a partir del efluente de la primera etapa del reactor. Tres sistemas de dos etapas diferentes que son tericamente capaces de extraccin de energa completa tienen propuesto y estn bajo investigacin activa en pequeo experimentos a escala de laboratorio (Figura 2). Un enfoque es utilizar un reactor diferente para la segunda etapa que es operado bajo diferentes condiciones, como por ejemplo un pH ms alto y HRT ms largo, que el primer reactor, lo que favorece la metanognesis. A pesar de la desventaja de generar dos corrientes de gas diferentes, hidrgeno y metano, en trminos prcticos, esto podra ser til porque la mezcla de hidrogeno metano son combustibles ms limpios para los motores de combustin interna que el metano solo que producen menos NOx. A pesar de que en el largo plazo el objetivo debera ser producir slo una corriente de hidrgeno, este sistema hbrido de dos etapas, produciendo ambos hidrgeno y metano, es casi listo para ser puesto en prctica y que ya ha sido ampliado a la etapa de planta piloto. Tal sistema de dos etapas puede ofrecer varias ventajas sobre una sencilla fermentacin tradicional de metano, incluyendo una solubilizacin efectiva de los sustratos tales como los residuos slidos orgnicos y el aumento de la tolerancia a alta OLR. Varios estudios recientes han informado de la operacin exitosa de este tipo de sistemas de dos etapas utilizando desechos reales, incluyendo una fermentacin a escala piloto de la planta de residuos de cocina que fue capaz de generar relativamente altas tasas de produccin de hidrgeno (5.4 m3 / m3 / da) y metano (6,1 m3 / m3 / da), mientras que al mismo tiempo lograr la eliminacin de 80% de DQO. La eficiencia de este proceso es demostrado por el hecho de que los rendimientos de metano eran dobles ms alto que un proceso de una sola etapa comparable. Otro proceso posible para aumentar la extraccin general de energa es el uso de fotofermentacion en la segunda etapa, con el objetivo de recuperar hidrgeno adicional a partir de los productos de una generacin de hidrgeno por fermentacin oscura. En esta reaccin, no fotosinttica de azufre prpura las bacterias captan la energa luminosa y la utilizan para cuantitativamente convertir los cidos orgnicos en hidrgeno. Una gran cantidad de la investigacin se ha realizado en este mbito y ha sido revisado recientemente. Las principales conclusiones fueron que un gran nmero de estos organismos son capaces de degradar una variedad de cidos orgnicos a hidrgeno, a veces alcanzar altos rendimientos con sustratos puros. En efecto, en principio, fotofermentacion son capaces de convertir completamente compuestos orgnicos en hidrgeno, incluso contra relativamente altas presiones parciales de hidrgeno, porque la evolucin de hidrgeno es impulsado por la nitrogenasa ATP-dependiente y el ATP requerida se forma a travs de la captura fotosinttica de energa de la luz. De hecho, en la prctica, casi conversin estequiometrica de algunos cidos orgnicos al hidrgeno puede ser obtenido. Algunos estudios recientes, en el que la segunda etapa fue en realidad alimenta, el efluente de un reactor de produccin de hidrgeno, tales sistema han demostrado la viabilidad de una de dos etapas, aunque los rendimientos fueron muy por debajo de la estequiometria. Sin embargo, la eficiencia de conversin de luz bajos acoplados con bajas tasas volumtricas de produccin de traducir a un requisito para reas de superficie imposiblemente grandes. Aunque ms investigacin muy bien podra ayudar a aumentar el rendimiento, los obstculos tcnicos a la aplicacin prctica de tales procesos son graves, dada la relativamente baja fotosinttica eficiencias de estos organismos de moderado a alto de luz intensidades y el requisito de fotobiorreactores de alto costo que son transparentes y en el hidrgeno impermeable. Otro enfoque emplea electro hidrognesis microbiana clulas (MEC), en el que la electricidad se aplica a una celda microbiana de combustible proporciona la energa necesaria para convertir cidos orgnicos, que son productos secundarios tpicos de una fermentacin de hidrgeno, al hidrgeno [77-82]. Esta zona ha sido completamente cubierta en una excelente revisin reciente, por lo que slo se da un resumen de los principales puntos de aqu. Esta tecnologa representa una elegante aplicacin de principios de la termodinmica a la manipulacin de metabolismo microbiano para su uso en la produccin biotecnolgica de combustibles. MECs son de hecho bastante verstil; no slo es posible seleccionar las bacterias apropiadas durante la operacin sino tambin otros sustratos, tales como aguas residuales, pueden ser utilizados. Por lo tanto, debido a la versatilidad de la comunidad microbiana en la cmara andica, MECs no se limitan a la utilizacin de productos de fermentacin como sustrato, pero tambin puede, al menos en principio, completamente descomponer la glucosa o con un contenido de glucosa- sustratos, tales como celulosa, a hidrgeno.Aqu, la comunidad mixta lleva a cabo la fermentacin oscura in situ, y los productos de la fermentacin resultantes se utilizan por los miembros de la comunidad electrgenos. El electrognico bioelectroquimica las bacterias en las clulas su sustrato utilizando el electrodo (nodo) como terminal de aceptor de electrones. Voltaje suplementario (> 200 mV) es aadido a la que ya generado a partir del sustrato (acetato de ~300 mV) para conducir la evolucin de hidrgeno en el ctodo. Por lo tanto, en principio, una segunda etapa despus de un MEC fermentativa de hidrgeno inicial podra convertir completamente un sustrato de hidrgeno, el logro de 12 H2 / glucosa con slo una pequea inversin de la electricidad. En los seis aos transcurridos desde MEC fueron descritos por primera vez, varias innovaciones han sido desarrolladas y en consecuencia, su rendimiento ha sido mejorado dramticamente. Actualmente se informan tasas volumtricas (~6 m3H2 / m3 de reactor / da) son mucho mayores que aquellos que se obtuvieron originalmente. Sin embargo, estas tasas son todava casi dos rdenes de magnitud ms bajos que los obtenidos con fermentaciones oscuras y, por otra parte, slo han sido observado en los altos voltajes aplicados (~ 800 mV). Queda por ver si es o no lo suficientemente alta las tasas volumtricas que se puede lograr con entradas elctricas nominales. Por lo tanto, retos sustanciales a la aplicacin prctica de esta prometedora tecnologa permanecen, incluida la sustitucin platino caro para el ctodo, el aumento de densidades de corriente y la reduccin de la entrada elctrica requerido.Outlook y direcciones futuras

Muchos dicen que "el hidrgeno es el combustible del futuro"; algunos add 'y siempre ser!' De hecho, a pesar de una gran cantidad de investigacin en el pasado y en la actualidad, los principales obstculos siguen siendo que hay que superar antes de un proceso prctico puede ser factible demostrado para cualquier enfoque de produccin biolgica de hidrogeno. Aqu nos hemos centrado en el progreso reciente en la produccin de hidrgeno por fermentacin oscuro. Como se muestra aqu, se han producido mejoras sustanciales en los ltimos tanto el rendimiento como tasas volumtricas de produccin de fermentaciones de hidrgeno. Sin embargo, para ser prctico, los rendimientos deben considerablemente extenderse ms all de la presente limitacin metablica de 4 H2 / glucosa. Por lo tanto, la principal cuestin pendiente es Puede crearse un proceso biolgico prctico para extraer casi todos el H2 desde el sustrato (12 H2 / glucosa)? Intentando frente a este desafo debe ser el foco de futuro de la investigacin biohidrgeno. Termodinmica y las limitaciones metablicas sugieren que sera imposible encontrar un organismo capaz de la conversin completa de los sustratos a base de azcar a hidrgeno por fermentacin y que la intervencin humana que se necesita para resolver este problema. Existen varias posibilidades, que incluye adems la ingeniera metablica o varias etapas de sistemas, como se discute aqu. Sin embargo, no son excepcionales preguntas que deben ser contestadas para cada uno de estos diferentes enfoques si quieren tener xito. Por ejemplo, con respecto a la ingeniera metablica, pueda ser introducida nuevas vas que son capaces de la casi completa extraccin de protones desde el sustrato y su reduccin a H2. Aunque ya demostrable en una escala piloto, la fermentacin de hidrgeno unido y la digestin de metano (que es uno de los sistemas de dos etapas discutidas aqu) hacen no producir una corriente de hidrgeno puro y por lo tanto es menos deseable. Para que los otros sistemas de dos etapas discutidas aqu para seguir adelante, los principales impedimentos deben ser superados. Para un sistema hbrido usando fotofermentacion, las preguntas clave son: (i) pueden crear bacterias fotosinttico ms eficiente?; y (ii) pueden los cientficos de materiales desarrollar suficiente hidrogeno impermeable a bajo costo transparente en fotobiorreactores? Para un sistema hbrido usando MEC, se plantea una cuestin pendiente diferente: puede MEC desarrollarse que tienen densidades de corriente suficientes, requieren voltajes ms bajos y utilizan ctodos de bajo costo, Resolucin de la excepcional problema del aumento de los rendimientos de hidrgeno podra conducir al desarrollo de sistemas capaces de la completa conversin de los flujos de residuos y cultivos energticos a hidrgeno, un potencial combustible sostenible del futuro. Tabla 1. Disponible reactores de fermentacin oscurosMicroorganismos Sustrato Tipo de tasa de H2 reactor (l H2 / l / h) RefsLodos (planta de tratamiento de aguas residuales) melaza reactor continuo de tanque agitado (CSTR) 0.20 [12]Lodos (planta de tratamiento de aguas residuales) La glucosa anaerbica reactor discontinuo secuencial (ASBR) 0,23 [13]Lodos (planta de tratamiento de aguas residuales) La sacarosa biorreactor de lecho fijo con carbn activado (FBBAC) 1.2 [14]Lodos activados y digeridos glucosa lodo anaerbico reactor de lecho fluidizado (AFBR) 2.4 [15]Lodos (planta de tratamiento de aguas residuales) La sacarosa Upflow reactor de manto de lodo anaerbico (UASB) 0,27 [16]Lodo anaerbico sacarosa Polymethymethacrylate (PMMA) inmovilizado clulas 1.8 [17]Lodos (planta de tratamiento de aguas residuales) inducida por Carrier sacarosa lecho de lodo granular (CIGSB) 9.3 [18]Lodos (planta de tratamiento de aguas residuales) La sacarosa reactor de lecho fluidizado (FBR) 1.4 [19]Lodos (planta de tratamiento de aguas residuales) La glucosa anaerbica reactor de lecho fluidizado (AFBR) 7.6 biopelcula; 6,6 grnulos [20](Planta de tratamiento de aguas residuales) de lodos sacarosa biorreactor anaerbico continuamente agitado (CSABR) 15,0 [19]Biorreactor de membrana de glucosa suelo con tratamiento trmico (MBR) 0,38 [21]Examinar las tendencias de la Biotecnologa Vol.27 No.5291