Producción Biológica de Hidrógeno VIII - Mezcla de gases

Uno de los principales aspectos de la producción biológica de hidrógeno y que puede llegar a ser un problema es que el hidrógeno gaseoso no es puro sino que aparece con diversos contaminantes gaseosos. Para eliminarlos se han propuesto las siguientes soluciones, basadas casi todas en sistemas de burbujeo:

• CO₂: puede actuar como extintor e inhibir la combustión. Una solución al 50% de KOH es un buen absorbente.
• O₂: a pesar de ser muy poco soluble, su presencia puede ser peligrosa. Una solución alcalina de pirogalol puede ser una buena solución.
• Humedad: aunque para las pilas de combustible es incluso necesaria, su presencia disminuye el poder calorífico de la combustión. Puede eliminarse con desecadores o por refrigeración

Globos rellenos de bacterias para parar la desertificación

La idea general de frenar el avance de los desiertos y la desertificación suele ser la plantación de especies vegetales. Éstas, gracias a sus raíces estabilizarían y compactarían el terreno. Además, las sustancias que pudieran secretar por las raíces ayudaría a la aglutinación de los granos de sedimento del terreno.

El desierto del Sáhara se extiende desde el borde Norte de África, en su límite con el mar Mediterráneo. El límite Sur no está claramente definido por términos orográficos pero definible por sus carácterísticas climatológicas y ecológicas. El denominado Sahel, es una amplia franja de terreno que atraviesa toda África pasando por el Sur de Mauritania, Senegal, Malí, el Norte de Guinea y Burkina Faso, Níger, el Norte de Nigeria y Camerún, así como Chad y Sudán. Los ecosistemas que caracterizan este área de 4 millones de km², son las estepas y las sabanas semiáridas. Es la zona de transición que da lugar a las selvas y sabanas menos secas del resto de África, las que solemos ver en los documentales.

Área del Sahel.

Actualmente, como ocurre en otras partes del planeta (en muchas otras), el desierto del Sáhara está extendiendo sus dominios, en este caso hacia el Sur. Hace casi un año, se propuso la creación de un Gran Muro Verde de árboles a lo largo de toda la frontera Sur del Sáhara con el fin de frenar su avance. Un muro de 7000 km de largo y 15 km de ancho que atravesaría África de Este a Oeste que costaría 3 millones de dólares.

Este año en las conferencias de TED Global en Oxford (Inglaterra), el arquitecto Magnuss Larsson, propuso una nueva idea para atajar este asunto, bastante más innovadora y que hasta podría ser más rentable y eficaz para frenar la desertificación: emplear bacterias para bloquear las dunas.

El aliado: Bacillus pasteurii. El objetivo: convertir las dunas, literalmente, en una roca sólida, la arenisca. Esta bacteria frecuente en humedales es capaz de producir calcita, que actuaría de cemento entre las partículas de arena. La aplicación de los microorganismos se haría por inyección a gran escala en las dunas o, mediante un sistema de "globos". Estos globos, rellenos de bacterias, se situarían en la trayectoria de avance de las dunas de modo que cuando éstas llegaran a cubrir los globos éstos se pincharían liberando su contenido, que se infiltraría por el interior de las dunas.


Tal como el autor de la idea, Magnuss Larsson, comenta suena muy fácil pero hay más aspectos en los que hay que trabajar que los que están claros y, aunque es un proyecto "lleno de desafíos", "es un comienzo, una idea".


Vía MicrobeWorld y TreeHugger

Rutas Metabólicas de la Célula

Hace unos meses, un compañero forero de Foro 100cia dejó este enlace a un esquema, que bien podríamos llamar mapa de lo grande que es, sobre el funcionamiento interno de la célula, concretamente las rutas bioquímicas.

En él podéis explorar por las cuadrículas las rutas metabólicas. Las enzimas que aparecen en el esquema se enlazan a las fichas de las enzimas con el nombre aceptado, nombres alternativos, reacción que cataliza, links a otras bases de datos como PROSITE. Hay muchos símbolos y colorines, así que os dejo los enlaces a las leyendas (html/pdf).

Este mapa se encuentra dentro de la web del servidor de proteómica del ExPASy (Expert Protein Analysis System) del Swiss Institute of Bioinformatics (SIB).

Producción Biológica de Hidrógeno VII - Sistemas Complejos

Una vez concluidas las explicaciones sobre los sistemas simples de producción, pasamos a los sistemas complejos. Como ya se comentó antes, cualquier proceso que se lleve a cabo en más de una etapa (fermentación) estará recogido aquí:

• Biofotólisis indirecta
• Sistema híbrido fotosintéticos-fermentadores
• Fermentación oscura-metanogénesis

Expondré los 3 procesos en un mismo post puesto que en general, no dejan de ser derivados de los procesos simples.



Biofotólisis Indirecta

En la biofotólisis indirecta se evitan los problemas de la producción simultánea de oxígeno e hidrógeno, separando los procesos temporal y/o espacialmente.

El proceso se divide en cuatro etapas. Durante la primera etapa, se crecen microalgas en lagunas de crecimiento o en fotobiorreactores. En la segunda, se concentra la biomasa producida para llevar a cabo una fermentación anaeróbica en oscuridad en la tercera etapa. Aquí, los fermentadores producirán hidrógeno y acetato. El acetato será consumido por algas para formar más hidrógeno en un fotobiorreactor durante la cuarta etapa. La biomasa producida puede devolverse a las lagunas de crecimiento o a los fotobiorreactores iniciales para repetir el proceso. Los sistemas de apoyo incluyen digestores anaerobios (producción de metano) para tratar la biomasa de desecho, estimada en un 10% por cada ciclo.

Sistema Híbrido Fotosintéticos-Fermentadores

También conocido como sistema secuencial de fermentación oscura-fotofermentación. El proceso es casi idéntico a la tercera y cuarta etapa de la biofotólisis indirecta, con la diferencia de que el sustrato sometido a fermentación no se ha producido de forma específica para la producción de hidrógeno.

Fermentación Oscura-Metanogénesis

En un artículo de 2002, se propuso el acoplamiento de reactores para la producción biológica de metano a los reactores de la fermentación oscura. Así, los subproductos de desecho generados por los fermentadores serían el sustrato para los metanógenos, reduciendo los residuos y aumentando la eficiencia del proceso.

Del anís al Tamiflu®

Hace unos días me enteré de la última en teorías conspiparanoicas. Según cierta gente el famoso antiviral Tamiflu^®, empleado contra la gripe no son más que cápsulas de anís estrellado... claro y la lejía es sal de cocina...

El Tamiflu^® es el nombre comercial de un medicamento producido por la farmacéutica F. Hoffmann–La Roche, Ltd. (Roche) cuyo principio activo es el oseltamivir.

El osaltamivir es un inhibidor de las neuraminidasas de la gripe, la famosa "N" de cuando hablan de los serotipos de gripe (pej. H1N1 es neuraminidasa tipo 1). Este principio activo es eficaz contra los Influenzavirus A y B.

Yendo al grano, el oseltamivir se produce completamente por síntesis química a partir de un precursor presente en casi cualquier organismo autótrofo: el ácido shikímico o shikimato. El shikimato es un compuesto de sobra conocido por ser intermediario de síntesis de algunos aminoácidos, alcaloides, flavonoides y otros metabolitos secundario. Por desgracia, por el momento, no es viable la producción de shikimato a partir de microorganismos por lo que se tuvo que recurrir a la explotación de una especie vegetal. Y aquí es donde entra el anís estrellado de China o anís estrellado común (Illicium verum) y también su relación con el oseltamivir. Ya sólo con ver el parecido con la molécula de oseltamavir pffff...

Por último, ya que estamos con el tema, la síntesis del oseltamivir fue producto de las investigaciones de Gilead Sciences partiendo del ácido quínico. Se han desarrollado otros métodos de síntesis evitando el empleo del shikimato como precursor, pero de momento no se emplean en la producción a gran escala. Podéis verlos aquí.

Y... antes de hablar sin saber de que va el tema mejor informaros, que no todo son conspiraciones...


Moléculas dibujadas con ACD/ChemSketch.

Astrobiology - Vídeo musical

Ayer navegando me encontré con esta joyita que no tiene desperdicio. Un vídeo musical de rap sobre astrobiología. Es en inglés pero va apareciendo la letra, por lo que no es dificil seguirla. El tipo pone unas caras a veces... maldito estribillo pegadizo... ¬¬'

Study life on Earth then you're doing biology,
but in the space it's called ASTROBIOLOGY.
Looking for life in the rest of the galaxy
with interplanetary ASTROBIOLOGY.
The origins of life? Still don't know the chronology
but digging up clues with ASTROBIOLOGY.
I didn't know about ASTROBIOLOGY
but now I'm here to chat about ASTROBIOLOGY.

Tema: Astrobiology
Cantante/MC: Oort Kuipper

Producción Biológica de Hidrógeno VI - Fermentación oscura

A diferencia de la fotofermentación, la fermentación oscura se lleva a cabo tal como indica su nombre, de forma independiente a la luz. 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 nivel industrial:

1. Las bacterias fermentativas presentan una alta tasa de producción de hidrógeno.
2. Pueden producir hidrógeno de forma constante, noche y día, a partir de materia orgánica.
3. Pueden alcanzar tasas de crecimiento suficientes como para mantener el sistema.

Comparativa de costes de producción

De Hallenbeck & Benemann (2002).

La fermentación en condiciones anaerobias de sustratos ricos en glúcidos puede producir hidrógeno en un considerable rango de temperaturas (30-80 ºC) especialmente en oscuridad.

A pesar de que la biofotólisis únicamente produce H2 y la fermentación oscura una mezcla de H₂ y CO₂ combinados con otros gases poco deseables como H₂S y CH₄ en cantidades variables, la fermentación es mucho más efectiva a la hora de producir hidrógeno. A nivel teórico, tomando glucosa como sustrato modelo y dando acetato, la reacción produce 4 mol H₂/mol glucosa según la siguiente ecuación:

C₆H₁₂O₆ + 2 H₂O → 2 CH₃COOH + 4 H₂ + 2 CO₂

Y cuando el producto final es butirato:

C₆H₁₂O₆ + 2 H₂O → CH₃CH₂CH₂COOH + 2 H₂ + 2 CO₂

Sin embargo, este máximo teórico nunca se alcanza, pues el producto de la fermentación suele tener tanto acetato como butirato.

En cuanto a los microorganismos involucrados, diferentes miembros del género Clostridium son predominantes en estos procesos.

Dentro de las consideraciones prácticas del proceso el pH y la presión parcial de los gases son algunos de los parámetros más críticos. El pH influye tanto en la cantidad de hidrógeno producido (máximo con pH 5-6) como en los productos de fermentación: con valores de pH entre 4 y 6 se produce más butirato que acetato mientras que si se eleva el pH hasta 6,5-7 la proporción de butirato y acetato son semejantes.

La presión parcial de hidrógeno es otro parámetro crítico. Cuando la concentración de hidrógeno en el medio aumenta, las rutas metabólicas se reorientan para producir sustratos más reducidos como lactato, etanol, acetona, butanol o alanina, lo que provoca una disminución en la producción de hidrógeno.

La presencia de microorganismos consumidores de H₂ (metanógenos y acetógenos) disminuye el rendimiento del sistema. Para evitarlo se realiza un choque térmico antes del proceso. El ajuste del tiempo de retención hidráulico (HRT, Hydraulic Retention Time) y evitar la acumulación excesiva de H₂ también evita el desarrollo de los consumidores de hidrógeno, así como mantener valores de pH por debajo de 6,5 (inhibe el crecimiento de metanógenos).

Para retirar el exceso de hidrógeno en el medio se puede recurrir a diversos métodos. De entre ellos, el sparging es el más común. Éste se basa en el desplazamiento del hidrógeno soluble por solubilización de otro gas más soluble. Los mejores resultados se han obtenido con N₂ y CO₂. Otros métodos son la extracción a vacío o la agitación.

Animated Guide to Bacterial Cell Structure

Navegando por ahí me he encontrado con esta animación explicativa sobre la estructura celular de una bacteria tomando como modelo Escherichia coli, como no. Las explicaciones se centran sobre todo en la membrana externa, el periplasma y la membrana interna.

Por cierto, está en inglés.

Producción Biológica de Hidrógeno V - Water-shift reaction biológica

La water-gas shift reaction es un proceso bien conocido en la industria química para la obtención de H₂ a partir de agua y CO:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Algunas bacterias como Rhodospirillum rubrum, Rubrivivax gelatinosus o la termófila Carboxydothermus hydrogenoformans son capaces de realizar el mismo proceso.

Esta reacción presenta una elevada eficiencia en algunos microorganismos. Rubrivivax gelatinosus es capaz de convertir cerca del 100% del CO del que disponga. Además, la síntesis de hidrógeno por este sistema es resistente al oxígeno, lo que era un problema en los sistemas anteriormente expuestos.

A primera vista el proceso pueda parecer poco prometedor al requerir CO, muy escaso en la naturaleza y producir CO₂, un gas de efecto invernadero. Sin embargo existen procesos para los que esta reacción sería tremendamente interesante. Por ejemplo, en el steam methane reforming (proceso para producir hidrógeno a partir de metano) la segunda fase es idéntica a este proceso biológico, pero requiere una inmensa cantidad de energía para alcanzar la temperatura de reacción. Por su parte, la water-gas shift reaction biológica se lleva a cabo a temperatura ambiente.

Rhodospirillum rubrum, uno de los organismos de este tipo más estudiados presenta dos inconvenientes: necesita luz para producir hidrógeno y es inhibida por presiones parciales de CO de sólo 0,2 atm en el medio.

Por último, un análisis económico de la producción de H₂ por este sistema llevado a cabo por un grupo de investigación de USA en 2003, mostró que cuando la concentración de metano está por debajo del 3% es más barato producir el hidrógeno por este método que por su homólogo químico. Y, con un contenido de hasta el 10% de metano, el proceso biológico podría ser económicamente competitivo.

Comparativa de costes de producción

De Wolfrum et al (2003).

Producción Biológica de Hidrógeno IV - Fotofermentación

Llevada a cabo por bacterias fotoheterótrofas como Rhodopseudomonas, Rhodobacter, Rhodospirillum o Rhodovulum en presencia de luz y carencia de nitrógeno, producen hidrógeno como subproducto de la actividad de la nitrogenasa. Aunque también presentan una hidrogenasa es del tipo uptake. La actividad mayoritaria de este tipo de hidrogenasas es la de disociar el hidrógeno molecular, por lo que su actividad, para el objetivo que deseamos, es más bien perjudicial.

Esquema de la fotofermentación.

De Hallenbeck & Benemann (2002).

Presenta ciertas ventajas, como un rendimiento máximo teórico elevado, no produce oxígeno (gran represor de la nitrogenasa y otros sistemas involucrados en la producción), capacidad de emplear un amplio rango de longitudes de onda y capacidad de consumir sustratos orgánicos derivados de productos de desecho por lo que potencialmente podría emplearse asociado a sistemas de depuración de aguas.

A pesar de ser bastante más eficientes que los microorganismos fotosintéticos oxigénicos, al menos en teoría, presentan sus propias desventajas: la nitrogenasa consume mucho ATP y es inhibida por O₂, amonio y elevados ratios de N/C. Presentan una baja eficiencia en la conversión de energía solar, son necesarios fotobiorreactores anaerobios que cubran extensas áreas y, igual que en los anteriores, hay que solucionar ciertos problemas intrínsecos a los propios fotobiorreactores como puede ser el coste o la pérdida de transparencia. Por otro lado, los fotofermentadores además, poseen la capacidad de liberar el carbono fijado como CO₂.

Tanto éste como otros sistemas heterótrofos pueden emplear como sustrato diversos residuos industriales, especialmente aguas de factorías cuyos efluentes presentan elevada cantidad de carbohidratos como la industria cervecera o incluso residuos agroforestales.