producción biológica de hidrógeno iii
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Producción Biológica de Hidrógeno III - Biofotólisis del aguaEs llevada a cabo por microorganismos fotosintéticos oxigénicos (cianobacterias y algas unicelulares). Partiendo del agua como donador de electrones en el inicio de la fotosíntesis y el flujo de tales electrones a lo largo del diagrama en Z, éstos pueden una vez llegan a la ferredoxina, ser reutilizados (fotofosforilación cíclica), empleados para la reducción de CO2 o para la formación de H2.
La formación de H2 se debe a la actividad específica de la hidrogenasa:
2 H+ + 2 e- ↔ H2
o, a la actividad de una nitrogenasa, que genera H2 de forma secundaria a la producción de amoniaco:
N2 + 8 H+ + 8 e- → 2 NH3 + H2
* La estequiometría de la reacción depende del tipo de nitrogenasa. En este caso, Mo-nitrogenasa.
Esquema de la biofotólisis indirecta.De Hallenbeck & Benemann (2002) .
Sin embargo, la producción de hidrógeno por este proceso es altamente ineficiente pues necesita que haya una escasa actividad fotolítica del agua por parte del fotosistema II combinada con anaerobiosis, lo que lleva a una degradación irreversible de los cultivos.
Para evitar tales problemas, se ha intentado abordar el proceso desde diversos ángulos: cultivos en ausencia reversible de azufre, mutagénesis dirigida y aleatoria para conseguir hidrogenasas menos sensibles al oxígeno, inhibir el transporte cíclico de electrones, estimular la respiración para reducir el O2 libre en la célula,… Esta es la denominada biofotólisis directa.
Existe otro proceso bajo el nombre de biofotólisis denominadobiofotólisis indirecta, del que se tratará más adelante dentro de los Sistemas Complejos.
Producción Biotecnológica de Hidrógeno y Uso de Foto BioreactoresREINHARDT ACUÑA TORRES
Introducción
En anteriores artículos quedo demostrado que la producción de biocombustibles a partir de
microalgas es la mejor alternativa ecológica frente a la producción de combustibles fósiles. A
pesar del beneficio ecológico, siempre existe un porcentaje de emisiones de carbono (CO2)
que no se recupera con el secuestro de carbono por parte de las microalgas. El hidrógeno es
un gas combustible 100% ecológico (su combustión produce vapor de agua) que también
puede ser producido biológicamente por diversos microrganismos y utilizando distintas vías
metabólicas. Así entonces, la producción biológica de hidrógeno se realiza en diferentes
bioreactores según sea el bioproceso metabólico realizado y el tipo de microrganismo
utilizado.
Producción Biológica de Hidrógeno (Biohidrógeno)
Existen cuatro bioprocesos metabólicos por los que puede producirse
biológicamente el hidrógeno:
Biofotólisis del agua (Directa e Indirecta)
Fotofermentación
Water-shift reaction biológica
Fermentación oscura
Tabla 1. Reacciones generales implicadas en la producción de bio-hidrógeno
Proceso Reacción General
Microrganis
mo
Biofotólisis Directa:
Fase Luminosa 2H2O + luz → 2H2 + O2
Microalgas,
Cianobacteri
as
Fotofermentación CH3COOH + 2H2O + luz →4H2CO2+2
Bacterias
Púrpuras,
Microalgas
Biofotólisis Indirecta:
Reacciones de la Fase
Oscura (a,b,c)
(a) 6H 2O + 6CO2 + luz →C6H12O6 +
6O2
(b)
C6H12O6 + 2H2O → 4H2 +2CH3COOH
+ 2CO2
(c) 2CH3COOH + 4H2O +
luz →8H2 + 4CO2
Microalgas,
Cianobacteri
as
En general la
reacción: 12H2O +
luz→ 12H2 + 6O 2
Water-Shift Reaction CO + H2O → CO2 + H 2
Microrganis
mos
fermentativo
s, bacterias
fotosintética
s
Fermentación Oscura
en Dos Fases:
H2 + CH4
(a)
C6 H12O6 + 2H2O → 4H2 +2CH3COOH
+ 2CO2
(b) 2CH3COOH = 2CH4 + 2CO 2
Microrganis
mos
fermentativo
s, bacterias
metanogénic
as
Fermentación Oscura
de alto rendimiento C6 H12O6 + 6H2O → 12H2 + 6CO2
Microrganis
mos
fermentativo
s
Enzimas Hidrogenasa y Nitrogenasa
Todos los bioprocesos metabólicos de la biofotólisis están controlados por enzimas que
producen hidrógeno; de cuales existen dos tipos: hidrogenasa y nitrogenasa.
Las hidrogenasas existen en la mayoría de los microrganismos fotosintéticos y se clasifican
en dos categorías:
1. Hidrogenasas de captación o irreversibles
2. Hidrogenasas reversibles.
Producción de Hidrógeno mediada por la Hidrogenasa
Las hidrogenasas de captación actúan únicamente como catalizadores para el consumo
de hidrógeno; por eso son irreversibles. Las hidrogenasas reversibles como su nombre
lo indica, tienen la capacidad tanto de producir hidrógeno como de consumirlo, en función
de lascondiciones de reacción y de iluminación.
La hidrogenasa reversible es la enzima responsable de la producción de hidrógeno,
catalizada por la siguiente reacción:
2H + + 2Xred ↔ 6H2 + 2Xoxd El portador de electrones (X) usualmente es
la ferredoxina (Fd) esta sereduce con el agua como donador de electrones por
la reacción fotoquímica de la biofotólisis.
Producción de Hidrógeno mediada por la Nitrogenasa
Las nitrogenasas son responsables de la fijación del nitrógeno, se distribuyen
principalmente entre los procariotas (incluyendo cianobacterias) y no se producen en las
células eucariotas (bajo las cuales se clasifican microalgas). El nitrógeno molecular se
reduce a amoniaco por el consumo de poder reductor (mediado por ferredoxina) y ATP.
La reacción es sustancialmente irreversible yproduce amoníaco:
N2 + 6H1+ + 6e- 2HN3
12ATP 12 (ADP + Pi)
Luego, en una reacción secundaria la nitrogenasa cataliza la reducción de protones
en la ausencia de nitrógeno
2H+ + 2e- H2
Esquema del mecanismo fotosintético que genera poder reductor (NADPH) y ATP para la
posterior fijación de CO2
4ATP 4 (ADP + Pi), atmósfera de argón.
La nitrogenasa es extremadamente lábil en presencia de oxígeno gaseoso; a
diferencia de, la hidrogenasa, que lo produce. Sin embargo, las cianobacterias han
desarrollado mecanismos de protección de nitrogenasa del gas oxígeno. Otros
factores son: el alto suministro de energía ATP dependiente y la reducción de
potencia. Para contrarrestar todas estas deficiencias los microrganismos han desarrollado
diferentes mecanismos; el mecanismo más exitoso es la localización de la nitrogenasa en
los heterocistos de las cianobacterias filamentosas; durante lafotosíntesis oxigénica, los
compuestos orgánicos producidos por la reducción del CO2, se transfieren a los heterocistos
y se descomponen para proporcionar nitrogenasa con la reducción de potencia (se genera
poder reductor); el ATP es proporcionado por la PSI-dependiente dentro de heterocistos en
la fotosíntesis anoxigénica.
Biofotólisis del Agua
Esquema de la Biofotólisis
La biofotólisis es la foto disociación del agua por microrganismos vivos; es decir,
la disociación de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía
solar y microrganismos fotosintéticos(microalgas verdes y cianobacterias); la reacción
global es: H2O + 2H+ —> H2 + 1/2(O2) + 2H+; G° = 238 kJ/mol. Los microrganismos
capturan la energía de la luz a través de sus clorofilas ypigmentos fotosintéticos. Estos
últimos, son los encargados de absorber los fotones (partículas de luz) y generar el poder
oxidante (gradiente de protones) capaz de descomponer el agua enprotones (H+)
y electrones (e-) y oxígeno gaseoso (O2) en el proceso iluminado de biofotólisis
directa.
Los electrones producidos generan un gradiente que favorece la reducción de
la ferredoxina (Fd) y de otros intermediarios energéticos en la fotosíntesis. Ese poder
reductor es utilizado parareducir el CO2 hasta la formación de carbohidratos (almidón en
microalgas y glicógeno en cianobacterias) y lípidos (usados para crecimiento celular y como
reserva energética y de sustrato); como parte del metabolismo celular de los
microrganismos. A partir de estos sustratos metabólicos (metabolitos) los diferentes
microrganismos pueden producir hidrógeno (H2) porbiofotólisis indirecta.
Los microrganismos generan hidrógeno por dos razones:
1. Para eliminar el exceso de equivalentes reducidos,
2. Como bioproducto de la fijación del nitrógeno.
La producción de H2 mediante biofotólisis (directa o indirecta) depende de la presencia o
ausencia de luz. La biofotólisis directa se lleva a cabo bajo una radiación luminosa; en
tanto que la indirecta, en la oscuridad.
Esquema de la Biofotólisis Directa
Biofotólisis Directa
En la biofotólisis directa se eleva el nivel energético de los electrones del agua y enseguida
ocurre de manera simultánea, la desintegración del líquido y la transferencia de electrones a
la Fd, produciéndose de manera continua H2; no obstante, este no es utilizable como fuente
de hidrógeno, ya que, sirve como almacén de una parte de la energía proveniente de la luz.
Lascianobacterias 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. Se generan 2 moles
de H2 por cada mol de O2 liberado, siendo lasmicroalgas unicelulares las mejores
productoras de H2 por esta vía (Brentner et al., 2010).
Biofotólisis Indirecta
Bajo condiciones especiales de oscuridad y ausencia de oxígeno (anoxigenia)
la ferredoxina puede ser utilizada por las
enzimas hidrogenasa y/o nitrogenasa para reducir protones y generar hidrógeno
molecular: 2H+ + 2〖Fd〗- ↔ H2 + 2Fd. La biofotólisis indirecta consiste en la primera
etapa de fotosíntesis útil para la acumulación de carbohidratos; los cuales son utilizados
en unasegunda etapa de fermentación oscura; en la que, se produce hidrógeno, a partir
de estos (carbohidratos).
Producción de Hidrógeno por Biofotólisis Indirecta
Esquema del mecanismo de producción de bio-hidrógeno de la cianobacteria Cyanothece
51142 por medio de energía solar y CO2 atmosférico. El CO2 se fija durante el día para
sintetizar glucógeno que sirve como una reserva de energía y la fuente de electrones
para la producción de H2 por la noche.
Una cepa de un microrganismo marino de fijación de nitrógeno Cyanothece 51142 ha
demostrado ser la forma más eficiente de producción de bio-hidrógeno hasta la
fecha. Cyanothece 51142 escapaz de producir hidrógeno aeróbicamente ya que,
controla sus procesos metabólicos por un reloj circadiano interno. Fotosintetiza
durante el día y almacena carbono (CO2) como glucógeno; pero por la noche, realiza la
fijación de nitrógeno mediante el glucógeno obtenido como fuente de energía y utilizando la
nitrogenasa para convertir N2 a NH3 con H2 como subproducto. Aun cuando, el oxígeno esté
presente, las altas tasas de respiración de Cyanothece son capaces de crear un ambiente
anaerobio dentro de las células que permiten a la nitrogenasa poder funcionar.
Biotecnológicamente se ha encontrado que para optimizar la producción de hidrógeno, las
cianobacterias producen más si se cultivan en presencia de fuentes de carbono adicionales;
siendo el glicerol, la más efectiva; con la enorme ventaja de que también es un producto de
desecho de la producción industrial de biodiésel.
Mecanismos Combinados
Esquema de producción combinada de hidrógeno Alga: Bacteria Fotosintética
Mecanismos Combinados de Biofotólisis
Como parte de su esquema evolutivo y adaptativo, los micro-organismos generan el H2 y el
O2 de manera separada y utilizando diferentes espacios y distintos tiempos. La finalidad es
proteger las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa de la acción del oxígeno; sobretodo la
enzima hidrogenasa que es sumamente sensible a ese gas. Las cianobacterias y microalgas
unicelulares utilizan ciclos de luz-oscuridad para proteger a las hidrogenasas reversibles;
mientras que, las cianobacterias filamentosas, dado que son fijadoras de nitrógeno, poseen
células especializadas (heterocistos) que son impermeables al O2 y que protegen a las
nitrogenasas. Teniendo en cuenta que las microalgas son capaces de generar hidrógeno,
produciendo ácidos orgánicos mientras que, las bacterias fotosintéticas, necesitan dichos
ácidos orgánicos para la síntesis de hidrógeno; entonces, resulta lógico combinar ambos
procesos de tal forma que, las microalgas generan hidrógeno y ácidos orgánicos o alcoholes
de forma anaerobia, en la oscuridad, a partir de la materia orgánica presente ; de forma que,
las bacterias fotosintéticas puedan emplear dichos compuestos orgánicos, para generar
hidrógeno en condiciones de iluminación anaerobia. En este sentido, se debe implementar
un sistema en dos fases. La Tabla 2 muestra un esquema general de las reacciones
bioquímicas involucradas en la producción de H2 mediante estos mecanismos.
Tabla 2. Mecanismos de producción de bio-hidrógeno
Biofotólisis y Bioprocesos
A pesar de la alta eficiencia de conversión del sustrato y la elevada pureza del H2 producido
(99.5%) mediante biofotólisis (Brentner et al., 2010) es necesario mejorar los rendimientos
de productividad de los bioprocesos fotoquímicos, principalmente debido a la baja eficiencia
fotoquímica que presentan la mayoría de los microrganismos fotosintéticos, en relación a la
biofotólisis y la producción fotoquímica de hidrógeno. El problema se ha resuelto
parcialmente diseñando fotobioreactores que permitan la adecuada penetración de la luz y la
transferencia de energía entre las células y hacia los sistemas fotosintéticos relacionados.
También se investiga el uso de cepas mutantes de microalgas y cianobacterias; o el
desarrollo de cepas transgénicas, a las cuales, por ingeniería genética, se les ha inhibido el
funcionamiento de los complejos cosechadores de luz con la finalidad de mejorar el
rendimiento del quantum fotosintético.
Con ingeniería metabólica se han diseñado cepas de cianobacterias deficientes de los genes
que codifican para la hidrogenasa de respuesta, y con la capacidad aumentada de
almacenaje de glicógeno (Brentner et al., 2010; Yu y Takahashi, 2007).
Diagrama propuesto para la generación de biohidrógeno por fotobioreactores de dos
etapas.
Además, la sensibilidad de las hidrogenasas de microalgas al O2, se ha disminuido
utilizandofotobioreactores de dos etapas:
1) Etapa 1 Aeróbica: en la primera etapa se produce la biomasa y se fotosintetiza
(lumínica)
2) Etapa 2 Anaeróbica: en la segunda se produce H2; ésta se realiza en la oscuridad, al
mismo tiempo que se mantiene con privación de azufre, lo que inhibe la producción de
oxígeno.
Diseño del Bioproceso de Biofotólisis Indirecta
A nivel conceptual el diseño del bioproceso para la producción de biohidrógeno debe tomar
en cuenta las siguientes operaciones:
1. Crecimiento de las microalgas o de las bacterias fotosintéticas
2. Concentración celular
3. Inducción de la hidrogenasa o la nitrogenasa
4. Control y Regulación del Fotoperiodo
5. Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor
6. Operación Continua
1. Crecimiento de las microalgas o de las bacterias fotosintéticas
El crecimiento de la biomasa (microalgas o bacterias fotosintéticas) consiste en cultivar
las microalgas o las bacterias fotosintéticas en estanques abiertos o lagunas y suministrarles
los adecuados y requeridos nutrimientos para que se realice el proceso natural de
fotosíntesis. Laecuación cinética de crecimiento de los microrganismos
bacterianos, se rige mediante unareacción autocatalítica (reacción de primer
orden): Donde: X = concentración de biomasa, kg/m3; t = tiempo, h; µ = tasa
específica de crecimiento, h-1. La tasa específica de crecimiento puede ser modelada
según el Modelo Conjunto de Primer Orden y Orden Cero(Cinética de Blackman): µ =
KII Donde: µ = µmax; cuando I>Is e I<Is, respectivamente. Recordando que la hidrogenasa es
inhibida en presencia de oxígeno, el Modelo Hiperbólico Rectangular(similar al modelo de
Monod y de Michaelis-Menten) es el que debe aplicarse para cinética
enzimática: Donde: µ = tasa específica de crecimiento, h-1; µ max = tasa
específica máxima de crecimiento, h-1; I = intensidad de la luz, W/m2; KI = coeficiente de
saturación (modelo Monod) para la intensidad de luz, W/m2. Alternativamente se puede
aplicar el Modelo de Bannister: Donde µ es un factor de corrección
empírico para el modelo. O elModelo de Aiba: Donde Ki corresponde
a una constante de inhibición, m2/W. El modelo de Aiba es el modelo más utilizado por
simplicidad y adecuada descripción del comportamiento cinético de los microrganismos
fotosintéticos; corresponde a un modelo tipo Monod, y puede ser fácilmente corregido para
incorporar el efecto de inhibición mostrado por los cultivos frente a altas intensidades de
luz. Para efectos de estudio, se ha considerado como ejemplo práctico una cinética de
crecimiento tipo Monod, en que el sustrato limitante corresponde a la intensidad de la luz y
para el que el coeficiente de saturación KI y la tasa máxima de crecimiento específico, puede
ser obtenidos gráficamente, utilizando los datos reportados por Janssen et al. (2000) que son
presentados en la Figura 1.
Figura 1 Tasa de crecimiento específico (µ) de Chlamydomonas reindhardtii como
función de iluminación continua de distintas densidades de flujo de fotones (PFDs)
A partir del gráfico presentado puede obtenerse:
Chlamydomonas reindhardtii, al igual que la mayoría de los microrganismos fotosintéticos,
responde a la luz de acuerdo a la ecuación: I(d) = Io exp(-eXd) que describe la absorción de
una luz incidente de intensidad I0 a una profundidad d en el reactor. Donde: I(d) = intensidad
de la luz absorbida a una profundidad d, W/m2; I0 = intensidad de luz incidente, W/m2; e =
coeficiente de extinción, m2/kg; X = concentración de la biomasa, kg/m3; d = profundidad,
m. Estrictamente, esta relación es válida sólo para luz monocromática; pero puede ser
utilizada para luz policromática, si se corrige el coeficiente de extinción (al considerar su
dependencia con la longitud de onda).
Relaciones con la Luz
Cuando la luz pasa a través de un cultivo denso, la intensidad de luz absorbida decae
rápidamente conforme aumenta la profundidad del foto-bioreactor; a nivel de superficie, la
intensidad de luz absorbida debería ser igual al de la luz incidente; sin embargo, gracias a su
aparato fotosintético, los microrganismos fotosintéticos son capaces de utilizar un máximo
de luz incidente(denominado intensidad de saturación Is), mediante el uso
de mecanismos especializados en susfotosistemas. Es = Ecuación de
Bush corresponde a una razón corregida entre la luz aprovechada por el aparato
fotosintético de las microalgas (Is) y la luz incidente (I0). Si la intensidad de luz incidente es
mayor que la intensidad de saturación, la diferencia de energía se pierde como calor y el
proceso disminuye la eficiencia.
2. Concentración Celular
Dado el gran volumen de líquido contenido en el cultivo celular y el microscópico tamaño de
los microrganismos, es necesario concentrar la biomasa (separación líquido-sólido), a fin
de evitar el sobredimensionamiento de los equipos en las etapas siguientes del
proceso. La concentración de diseño del bioreactor debe ser óptima, de forma
que permita una alta tasa de producción de biohidrógeno y un tamaño adecuado de
los equipos (costo operacional versus costo de equipos). Si bien esta concentración no está
especificada en la literatura, de acuerdo a Benneman (1998) debe ser entre 30-45 kg/m3. No
obstante, estudios más recientes apoyan que se pueden obtener concentraciones 50 kg/m3 y
mayores (hasta 50 kg/m3), manejando adecuadamente las condiciones de crecimiento y
ambientales del cultivo microrganismos.
Fases de Crecimiento de Microalgas Fotosintéticas
Microalgas Fotosintéticas en Diferentes Fases de Crecimiento
3. Inducción de la Hidrogenasa y la Nitrogenasa
Una vez concentrada la biomasa, deben inducirse los mecanismos para que los
microrganismos produzcan biohidrógeno por biofotólisis indirecta, mediante la activación de
las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa.
Inducción de la Hidrogenasa: la inducción de la hidrogenasa pasa por dos etapas; a
saber:
Etapa Luminosa: de fotosíntesis, en donde se acumulan carbohidratos que se utilizarán
en;
Etapa Oscura: o de fermentación oscura, en donde el cultivo debe ser sometido
a condiciones de anaerobiosis y de oscuridad, que inducen la síntesis y actividad de
la hidrogenasa.
Producción de Hidrógeno mediada por la Hidrogenasa
El biohidrógeno es producido por la hidrogenasa en la etapa luminosa, mediante la
siguiente reacción: 2H + + 2Xred ↔ 6H2 + 2Xoxd el portador de electrones (X) usualmente es
la ferredoxina(Fd); ésta se reduce con el agua como donador de electrones por
la reacción fotoquímica de labiofotólisis.
Inducción de la Nitrogenasa: la inducción de la nitrogenasa, también pasa por dos
etapas:Luminosa y Fermentación Oscura; la diferencia estriba en que la nitrogenasa
es extremadamente lábil en presencia de oxígeno gaseoso; a diferencia de la
hidrogenasa que lo produce; es por eso que la fermentación oscura con la nitrogenasa,
debe darse en condiciones estrictamente anoxigénicas y sin presencia de nitrógeno;
esto es, en una atmósfera de argón.
Etapa Luminosa: en la etapa luminosa se el nitrógeno molecular se reduce
a amoniaco por el consumo de poder reductor (mediado por ferredoxina) y ATP.
La reacción es sustancialmenteirreversible y produce amoníaco:
N2 + 6H1+ + 6e- 2HN3
12ATP 12 (ADP + Pi)
Producción de Hidrógeno mediada por la Nitrogenasa
Etapa Oscura: en una reacción secundaria la nitrogenasa cataliza la reducción de
protones en la ausencia de nitrógeno
2H+ + 2e- H2
4ATP 4 (ADP + Pi) Eso es, en una atmósfera de argón.
4. Control y Regulación del Fotoperiodo
El fotoperiodo es el tiempo de exposición a los ciclos de luz/oscuridad a los que son
sometidos los microrganismos fotosintéticos durante su cultivo. El control y regulación del
fotoperiodo es de especial importancia para optimizar la producción de
biohidrógeno ya que, como vimos, la biofotólisis se realiza en dos etapas: una iluminada
donde se producen carbohidratos y una oscura donde se genera el hidrógeno. Para optimizar
la producción de biohidrógeno es necesario determinar cual es el fotoperiodo óptimo; el
cual varía según la especie de microrganismo.
Por ejemplo, para determinar el fotoperiodo optimo para la producción de hidrógeno por
Chlorella vulgaris; se expuso el cultivo a cuatro patrones de luz diferentes: en la oscuridad
durante 72 horas, en la oscuridad durante 24 horas antes de ser expuesto a la luz (intensidad
de 120 μ mole/m2/s) durante 72 horas, expuestos a la luz durante 72 horas, y expuestos a
la luz durante 24 horas antes de ser sometida a la oscuridad durante 48 horas. La
última condición fue la que mostró la mayorproducción de hidrógeno total (530 ± 5 ml/l
de medio) y una tasa de liberación de hidrógeno máxima (34,8 ml/h/l). Además, los
cultivos de células se inmovilizaron, el medio fue privado de azufre y se purgó con N2.
El crecimiento durante 72 horas bajo condiciones de luz parcial fue esencial para que
la producción de hidrógeno fuera continua y más enérgica. La adición de
glucosa al medio azufre-deficiente, aumento de la producción de hidrógeno por 18
veces, bajo condiciones de luz parcial. Como conclusiones: para aumentar la
productividad de hidrógeno es necesario:
Determinar el fotoperiodo óptimo;
Operar bajo condiciones de luz parcial;
Un medio de cultivo líquido azufre-deficiente;
Añadir una fuente de carbono alternativa.
5. Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor
El dimensionamiento del bioreactor se efectúa de acuerdo a las siguientes
relaciones: Donde: t = tiempo de residencia característico para las microalgas,
h; t * = tiempo de residencia en el foto bioreactor, h; V = volumen del foto bioreactor, m3;
V* = volumen del foto bioreactor para la nueva situación, m3; F = caudal a tratar,
m3/h. El tiempo de residencia t determina la tasa específica de producción de
hidrógeno mediante las siguientes relaciones:
Donde: t = tiempo de residencia; P = producto (H2); qp = tasa específica de producción de
hidrógeno; X = biomasa. La producción de hidrógeno por biofotólisis indirecta como indica
la ecuación (2) es un compromiso entre la concentración celular X y la capacidad
biosintética de la misma (qp). El concepto que resume ambos aspectos es el
deproductividad; esto es, la cantidad de producto obtenido dividido el tiempo
necesario para obtenerlo. La productividad puede ser mejorada aumentando X, qp o
ambos; pero un gran aumento de X causa una disminución de qp; por lo que, es necesario,
encontrar una solución de compromiso para lograr la máxima productividad.
La Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor debe transitar por los
siguientes 4 pasos:
6. Operación continua
Una planta biotecnológica para producir hidrógeno (basada en el proceso de biofotólisis
indirecta) requiere de un modelo de operación continua como el que se muestra en el
diagrama. Eldimensionamiento de los equipos asociados a las principales operaciones; así
como, el de cualquier otro equipo, se sustenta en la realización de los respectivos balances
de masa y energía.En base a estas consideraciones los balances de materia para X, S y
P son: En estado estacionario las
concentraciones dentro del bioreactor permanecerán constantes en el tiempo, lo que
significa igualar a cero las ecuaciones. De la primera y teniendo en cuenta que rX = µx,
resulta: donde D es la velocidad de dilución. Larelación F/V se denomina velocidad de
dilución (D) y como se observa tiene como unidad larecíproca de tiempo (1/t).
Así, la velocidad de dilución es el inverso del tiempo promedio de residencia (t) y es
igual al número de veces que una cantidad de mezcla de reacción (X) equivalente
al volumen del reactor (V) pasa a través del recipiente de reacción por unidad de
tiempo. En estado estacionario (EE) las derivadas con respecto al tiempo son
iguales a cero y la ecuación para la concentración celular tiene la solución:
Formación de Producto:
En estado estacionario, la 3° ecuación se reduce a:
O bien a:
Donde P representa la concentración de producto en estado estacionario. Dependiendo de
como sea la cinética de formación del producto será la forma de la curva P vs. D.
¿QUE ES LA FOTOLISIS?La fotólisis es la ruptura de enlaces químicos por causa de energía radiante. Se llama fotólisis o fotolisis, fotodisociación, o fotodescomposición a la disociación de moléculas orgánicas complejas por efecto de la luz, y se define como la interacción de uno o más fotones con una molécula objetivo. Es el proceso en el que se basa la fotosíntesis.
¿QUE ES LA BIOFOTOLISIS?La biofotolisis consiste en la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno mediante la acción combinada de la luz solar y la capacidad fotosintética de plantas verdes, ciertas bacterias y algas azules.
La investigación del proceso de biofotolisis ha conocido grandes progresos en la última década, en cuanto a la caracterización bioquímica de las algas que son capaces de hacerlo y las condiciones necesarias para que la producción de hidrógeno ocurra, pero falta un largo camino que recorrer para la obtención del alga superproductora y diseño de los adecuados fotobioreactores que permitan alcanzar la realización de un proceso tecnológicamente práctico para que la producción de hidrógeno a partir de luz, agua, dióxido de carbono y algas verdes, se convierta en la mayor fuente biológica de energía renovable, sin emisión de gases con efecto invernadero ni contaminación medio ambiental.
Biofotólisis del Agua
Esquema de la Biofotólisis
La biofotólisis es la foto disociación del agua por microorganismos vivos; es decir, la disociación de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar y microorganismos fotosintéticos (microalgas verdes y cianobacterias); la reacción global es: H2O + 2H+ —> H2 + 1/2(O2) + 2H+;G° = 238 kJ/mol.
Los microrganismos capturan la energía de la luz a través de sus clorofilas y pigmentos fotosintéticos. Estos últimos, son los encargados de absorber los fotones (partículas de luz) y generar el poder oxidante (gradiente de protones) capaz de descomponer el agua en protones (H+) y electrones (e-) y oxígeno gaseoso (O2) en el proceso iluminado de biofotólisis directa.
Los electrones producidos generan un gradiente que favorece la reducción de la ferredoxina (Fd) y de otros intermediarios energéticos en la fotosíntesis. Ese poder reductor es utilizado para reducir el CO2 hasta la formación de carbohidratos (almidón en microalgas y glicógeno en cianobacterias) y lípidos (usados para crecimiento celular y como reserva energética y de sustrato); como parte del metabolismocelular de los microrganismos. A partir de estos sustratos metabólicos (metabolitos) los diferentes microrganismos pueden producir hidrógeno (H2) por biofotólisis indirecta. Los microrganismos generan hidrógeno por dos razones: 1. Para eliminar el exceso de equivalentes reducidos, 2. Como bioproducto de la fijación del nitrógeno. La producción de H2 mediante biofotólisis (directa o indirecta) depende de la presencia o ausencia de luz. La biofotólisis directa se lleva a cabo bajo una radiación luminosa; en tanto que la indirecta, en la oscuridad.
Biofotólisis Directa
Esquema de la Biofotólisis Directa
En la biofotólisis directa se eleva el nivel energético de los electrones del agua y enseguida ocurre de manera simultánea, la desintegración del líquido y la transferencia de electrones a la Fd, produciéndose de manera continua H2; no obstante, este no es utilizable como fuente de hidrógeno, ya que, sirve como almacén de una parte de la energía proveniente de la luz. Las cianobacterias filamentosas utilizan la enzimanitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzimahidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso. Se generan 2 moles de H2 por cada mol de O2 liberado, siendo las microalgas unicelulares las mejores productoras de H2 por esta vía (Brentner et al., 2010)
Biofotólisis Indirecta
Bajo condiciones especiales de oscuridad y ausencia de oxígeno (anoxigenia) la ferredoxina puede ser utilizada por las enzimas hidrogenasa y/o nitrogenasa para reducir protones y generar hidrógeno molecular: 2H+ + 2〖Fd〗- ↔ H2 + 2Fd. La biofotólisis indirecta consiste en la primera etapa de fotosíntesis útil para la acumulación de carbohidratos; los cuales son utilizados en una segunda etapa de fermentación oscura; en la que, se produce hidrógeno, a partir de estos (carbohidratos).
Producción de Hidrógeno por Biofotólisis Indirecta
Esquema del mecanismo de producción de bio-hidrógeno de la cianobacteria Cyanothece 51142 por medio de energía solar y CO2 atmosférico. El CO2 se fija durante el día para sintetizar glucógeno que sirve como una
reserva de energía y la fuente de electrones para la producción de H2 por la noche.Una cepa de un microrganismo marino de fijación de nitrógeno Cyanothece 51142 ha demostrado ser la forma
más eficiente de producción de bio-hidrógeno hasta la fecha. Cyanothece 51142 es capaz de producir hidrógeno aeróbicamente ya que, controla sus procesos metabólicos por un reloj circadiano interno. Fotosintetiza durante
el día y almacena carbono (CO2) como glucógeno; pero por la noche, realiza la fijación de nitrógeno mediante el glucógeno obtenido como fuente de energía y utilizando la nitrogenasa para convertir N2 a NH3 con H2 como
subproducto. Aun cuando, el oxígeno esté presente, las altas tasas de respiración de Cyanothece son capaces de crear un ambiente anaerobio dentro de las células que permiten a la nitrogenasa poder funcionar.
Biotecnológicamente se ha encontrado que para optimizar la producción de hidrógeno, las cianobacterias producen más si se cultivan en presencia de fuentes de carbono adicionales; siendo el glicerol, la más efectiva;
con la enorme ventaja de que también es un producto de desecho de la producción industrial de biodiésel.DATO:
El genoma de Cyanothece 51142, una cianobacteria unicelular en diazotróficas importante del ciclo del nitrógeno del mar