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jueves, 12 de abril de 2012

ElectroBiocombustibles



Si la energía se transforma, ¿por qué no podemos transformar la electricidad en combustible para coches con motor de explosión? Se puede hacer, aunque económicamente es inviable. Pero a lo mejor las cosas cambian gracias a una bacteria.

En líneas generales la electricidad es un tipo de energía sencilla de obtener. Una forma es darle vueltas a un imán cercano a una bobina y voilà. El truco consiste en responder a la pregunta: ¿cómo damos vueltas al imán? Podemos poner una turbina que se mueva gracias a la fuerza del agua, como en las centrales hidroeléctricas, o a la fuerza del vapor como en las centrales nucleares. Se genera una gran cantidad de energía eléctrica, pero lo malo es que esas instalaciones son grandes y costosas. Hay otra forma de conseguir la energía eléctrica que es transformando la luz del sol. Gracias a los paneles fotovoltaicos, los fotones son absorbidos por los átomos de un material semiconductor y eso hace que se liberen electrones, creándose así una corriente eléctrica. Pero estos dispositivos tienen dos desventajas: son caros y encima no generan una gran cantidad de energía.

Bueno, podríamos pensar que aunque se genere poca energía eléctrica, se podría almacenar en algún dispositivo y así usarla cuando quisiéramos. Sin ir más lejos, los combustibles fósiles son una forma de almacenar energía en un compuesto químico. Cuando necesitamos dicha energía lo único que tenemos que hacer es combinarlos con oxígeno y prenderles fuego ¡de manera controlada por supuesto!

¿Se puede almacenar la energía eléctrica? Sí, pero es caro. Lo mejor es consumir la electricidad al mismo tiempo que se produce. La forma más común de almacenar energía eléctica son las baterías o pilas, aunque realmente no se almacena energía eléctrica, sino energía química que puede ser transformada en electricidad. Otro problema es que la densidad de energía en estos sistemas no es mucha. Un kilo de gasolina produce 50 veces más energía que un "kilo de electricidad" contenido en una batería. Basta comparar la autonomía de un coche eléctrico y un coche a motor de explosión.

Volvamos a la pregunta del principio. ¿Y si gracias a una bacteria pudiéramos transformar la electricidad en gasolina de forma mucho más eficiente? Esa es la idea que hay detrás del diseño de un nuevo tipo de biorreactor denominado como biorreactor electro-microbiano integrado por sus autores, un grupo de la Universidad de California en Los Angeles liderado por el ingeniero químico James Liao. Para ello han usado una cepa modificada genéticamente de la bacteria Ralstonia eutropha, un quimilitoautótrofo que puede aprovechar la electricidad producida por una placa solar para fijar CO2 y producir alcoholes del tipo de los butanoles, uno de los principales componentes de las gasolinas. Los resultados han sido publicados en la revista Science.

La bacteria Ralstonia eutropha. Fuente MicrobeWiki


Este biorreactor híbrido (ver esquema inferior) consigue la electricidad de un panel fotovoltaico. La corriente fluye hacia el electrodo en el interior del biorreactor, que contiene agua, CO2 y la bacteria R. eutropha. Mediante una reacción electroquímica que sucede en el cátodo, el CO2 reacciona con el agua dando lugar a formato (HCOO-). El formato es un anión soluble que puede ser utilizado como fuente de energía por la bacteria. Una cepa silvestre de R. eutropha utilizaría dicha molécula para hacer poli-hidroxialcanoatos. Pero la cepa bacteriana usada fue manipulada genéticamente. Por un lado tiene interrumpida dicha ruta y por otro le introdujeron otros genes para sintetizar isobutanol y 3-metil-1-butanol (3MB), alcoholes de alto peso molecular que si pueden ser usados como biocombustibles en un motor de explosión. En condiciones ideales esta cepa puede llegar a producir 1,4 gramos de biocombustibles por litro de cultivo (846 mg/l de isobutanol y 570 mg/l de 3MB).

Esquema del proceso electromicrobiano integrado para convertir CO2 en alcoholes de alto peso molecular que pueden ser usados como biocombustibles. En el medio se burbujea aire con CO2 al 15%. El cátodo está formado por indio y el ánodo por platino. Si se acumulara el formato se podría destruir el ánodo, pero como es utilizado por la bacteria eso no ocurre. Por otro lado, la electricidad genera especies químicas reactivas que inhiben el crecimiento bacteriano, por eso está separado el ánodo del cultivo por una "copa" de cerámica. Fuente Li et al.


La capacidad de generar esos alcoholes no fue la única modificación que tiene la cepa de R. eutropha. Otra característica deseable es que pudiera crecer en unas condiciones en las que hay una corriente eléctrica presente. La electricidad genera especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno, lo que podría causar una inhibición del crecimiento bacteriano. Para demostrar que eso era lo que pasaba los investigadores realizaron una serie de construcciones genéticas. Pusieron al gen lacZ bajo el control de tres tipos de promotores: katG, sodC, o norA. Estos son los promotores de los genes que se inducen cuando en el medio aparece peróxido de hidrógeno (H2O2), radicales libres superóxido (O2-) y óxido nítrico (NO), respectivamente. Esas construcciones las clonaron en un plásmido que luego introdujeron en R. eutropha. Obtuvieron así tres cepas, y cada una fue sometida a una electrolisis. Si aparecía alguna de las especies químicas reactivas, se activaría la expresión del gen lacZ, como puede verse en la figura inferior. Para evitar el efecto inhibitorio lo que han hecho es recubrir el ánodo con un material cerámico que hace que el camino de dichos compuestos sea tortuoso y que reaccionen antes de que puedan alcanzar a los microorganismos que crecen en el biorreactor.

En la gráfica B se muestra el resultado de las tres cepas de R. eutropha que portan un gen chivato (el gen lacZ) bajo el control de distintos promotores: katG, sodC, o norA. El incremento de expresión con los dos últimos indica que las especies reactivas que inhiben el crecimiento son el superóxido (O2-) y el óxido nítrico (NO). En la gráfica C se muestra el crecimiento de la cepa modificada R. eutropha LH74D (línea azul), capaz de producir hasta 140 mg/l de biocombustible (línea verde) en algo más de 100 horas creciendo en el biorreactor híbrido. Fuente Li et al.


Pero ¿no se puede hacer esto directamente con un microorganismo fotosintético? En este blog hemos hablado del posible uso de algas unicelulares para producir biocombustibles. El organismo fotosintético captura la luz y la transforma en energía química, y esa energía ya puede ser aprovechada para las rutas anabólicas que producen lípidos que pueden ser usados para producir biodiesel. La placa fotovoltaica no hace falta en este caso. Sin embargo hay un problema. La fotosíntesis biológica no es tan eficiente, al menos desde el punto de vista utilitario y antropocéntrico. Ese proceso está diseñado por la evolución para mantener a un ser vivo, no para hacer biocombustibles que nosotros podamos usar. Es decir, captura energía que debe de ser utilizada en todos los procesos metabólicos celulares: síntesis de proteínas, replicación DNA, mantenimiento de las membranas, etc. Sólo una pequeña porción de dicha energía se utiliza en la producción de moléculas susceptibles de ser utilizadas como biocombustibles. Por ejemplo, si utilizamos bioetanol producido a partir de la fermentación del almidón del maíz, tan solo estaremos utilizando un 0,2 por ciento de la energía solar capturada por la planta. En el caso de utilizar microalgas, se puede llegar a aprovechar un 3 por ciento de la energía lumínica. Un rendimiento 15 veces mayor, pero todavía no suficiente como para que sea económicamente atractivo.

Un panel fotovoltaico puede convertir el 15 por ciento de los fotones en electricidad. Acoplado al biorreactor integrado, se puede conseguir que hasta un 9 por ciento de la energía luminosa total sea transformada en biocombustible, tres veces más que con las microalgas y 45 veces más si lo comparamos con una planta verde. En palabras de Liao, al combinar un dispositivo humano, que tiene un gran potencial de mejora, junto a la fijación biológica de CO2, conseguimos lo mejor de ambos mundos.

¿Y dónde está el "pero"? Pues está en que todavía es un sistema experimental desarrollado a nivel de laboratorio como puede verse en la imagen inferior. Falta el escalado, primero a planta piloto, y si funciona y sigue mostrando toda esa eficiencia, entonces escalarlo hasta planta industrial. Esperemos que lo hagan y tengan éxito.

El biorreactor electro-microbiano integrado desarrollado por los de la UCLA. Origen de la imagen Scientific American


Esta entrada participa en el XXX Carnaval de la Física que aloja "La enciclopedia galáctica", en el XIV Carnaval de la Química que aloja "Educación Química", en el IX Carnaval de la Tecnología que aloja "El Tao de la Física" y en el XII Carnaval de la Biología que aloja "Blog de laboratorio".

ResearchBlogging.org

Li, H., Opgenorth, P., Wernick, D., Rogers, S., Wu, T., Higashide, W., Malati, P., Huo, Y., Cho, K., & Liao, J. (2012). Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols Science, 335 (6076), 1596-1596 DOI: 10.1126/science.1217643


1 comentario:

El joven escritor dijo...

Muy bien. Yo soy nuevo en esto de los blogs., Visita el mio y deja un comentario pleas
http://elrincondeanonimo.blogspot.com.es/