Producción Biológica De Hidrogeno

Producción biológica de H2

Las tecnologías basadas en microorganismos tienen un gran potencial debido a que son seguras y más económicas que los métodos termoquímicos y electroquímicos. Los principales métodos de producción de biológica de hidrógeno son la biofotólisis del agua directa o indirecta, la foto-descomposición de compuestos orgánicos con bacterias fotosintéticas, las celdas de electrólisis microbiana y la fermentación oscura de compuestos orgánicos (Das & Veziroglu, 2001). La producción de biológica de hidrógeno puede ser llevada a cabo por tres principales mecanismos: 1) biofotólisis de agua 2) fotofermentación, 3) fermentación oscura (Hallenbeck & Benemann 2002).

1.1.1 Biofotólisis del agua

La producción de H2 mediante biofotólisis directa del agua es llevada a cabo por las algas verdes, de manera general se puede resumir en la siguiente reacción, la cual es mediada por la enzima hidrogenasa:

luz

〖2H_2 O -→ 2H_2+O〗_2 Ec.1

Las hidrogenasas hacen parte de una maquinaria genética y enzimática en el transporte de electrones para generar hidrógeno y producir ATP durante la fotosíntesis. Teniendo en cuenta que la hidrogenasa en este proceso no es tolerante al oxígeno y que el proceso genera los dos gases en forma simultánea (hidrógeno y oxígeno), no es viable a lo largo del tiempo, sino se hacen ciertas modificaciones (Bedoya et al., 2008).

Por su parte la fotólisis indirecta es realizada por cianobacterias, la cual ocurre en dos fases:

luz

12H_2 O+6CO_(2 )--→C_6 H_12 O_6+6O_2 Ec.2

En esta primera etapa de la fotosíntesis observamos la acumulación de carbohidratos, seguida de una etapa de fermentación oscura en la que se produce hidrógeno a partir de estos.

luz

C_6 H_12 O_6+12H_2 O--→12H_2+6CO_2 Ec. 3

Los microorganismos generan el H2 y el O2 de manera separada utilizando diferentes espacios o distintos tiempos, con la finalidad de proteger a las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa del oxígeno. Las cianobacterias unicelulares utilizan ciclos de luz-oscuridad para proteger a las hidrogenasas reversibles, mientras que las filamentosas fijadoras de nitrógeno forman células especializadas (heterocistos) que son impermeables al O2 y que protegen a las nitrogenasas (Brentner et al., 2010; Das & Veziroglu, 2001; Levin et al., 2004).

1.1.2 Fotofermentación

La producción de H2 mediante la fotofermentación es llevada a cabo por bacterias purpura no sulfurosas (BPNS). Las BPNS utilizan la energía luminosa para reducir sustratos tales como, ácidos orgánicos. Los electrones obtenidos de esta reacción son transportados por la ferrodoxina hasta la nitrogenasa, la cual es la encargada de formar el H2, todo esto bajo condiciones deficientes de nitrógeno. De manera general este proceso se puede resumir en la siguiente reacción:

luz

CH_3 COOH+2H_2 O --→ 4H_2+2CO_2 Ec.4

Uno de los parámetros que más afectan la fotofermentación es la intensidad de luz, pues un incremento en ésta se ha visto que afecta de forma simultánea la velocidad de producción y el rendimiento del hidrógeno (Bedoya et al., 2008).

1.1.3 Fermentación oscura

En este proceso, el hidrógeno es producido durante la degradación de materia orgánica, otros productos resultantes de la fermentación son los ácidos grasos de cadena corta (láctico, acético, butírico, etc.), CO2 y alcoholes. El proceso se lleva a cabo en condiciones anaerobias por lo que la distribución de productos dependerá de los microorganismos presentes en este proceso, así como, el estado de oxidación del sustrato y las condiciones ambientales (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

De manera general la degradación anaerobia de la materia orgánica consta de cuatro fases, cada una de estas requiere su propio grupo característico de microorganismos para ser llevada a cabo:

Hidrólisis: conversión de biopolímeros no solubles a compuestos solubles orgánicos

Acidogénesis: conversión de compuestos solubles orgánicos a ácidos grasos volátiles y CO2.

Acetogénesis: conversión de ácidos grasos volátiles a acetato y H2.

Metanogénesis: producción de biogás.

La degradación anaerobia tiene como productos finales metano y CO2. El hidrogeno es un intermediario, el cual es consumido por bacterias metanogénicas. Por lo que es necesario inactivar a éstas últimas.

La producción biológica de hidrógeno se basa principalmente en la ruta del piruvato, formado mediante el catabolismo de diferentes substratos.

La degradación del piruvato se cataliza mediante uno de los sistemas enzimáticos siguientes:

• Piruvato formiato liasa (PFL):

Piruvato+CoA →Acetil"-" CoA+Formiato Ec. 5

• Piruvato ferrodoxina oxido reductasa (PFOR):

Piruvato+CoA+2Fd(ox)→Acetil"-" CoA+CO_2+2Fd(red) Ec. 6

De este modo, en los dos sistemas biológicos, el piruvato generado mediante glicólisis es utilizado en ausencia de oxígeno para producir acetil CoA, a partir del cual se puede obtener ATP y generar ya sea, formiato o ferrodoxina reducida (Fd (red)), y posteriormente hidrógeno. Las entero-bacterias generan hidrógeno utilizando la ruta PFL, mientras que los anaerobios estrictos lo obtienen de la ruta de Fd (red) (Hallenbeck & Benemann 2002). La fuente de carbono preferida por excelencia, son los carbohidratos. Por ejemplo, la glucosa genera un rendimiento máximo de hidrógeno de 4 moles cuando se produce como subproducto ácido acético (Ec. 7), pero el rendimiento se reduce a la mitad cuando el subproducto generado es ácido butírico (Ec. 8) (Levin et al., 2004):

C_6 H_12 O_6+2H_2 O--→4H_2+2 CH_3 COOH+2CO_2 Ec.7

C_6 H_12 O_6-→2H_2+CH_3 (CH_2 )_2 COOH+2CO_2 Ec.8

En la práctica, la cantidad de hidrógeno que se puede producir por mol de glucosa se reduce a 2–3 moles de hidrógeno (Hallenbeck & Benemann 2002) debido a la utilización de substrato para la síntesis celular.

Los procesos fotosintéticos son teóricamente perfectos, sin embargo, en la práctica presentan una baja eficiencia de utilización de la

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