CONVERSIÓN BIOLÓGICA DE LA ENERGÍA SOLAR. FOTOSÍNTESIS.
Las células no pueden emplear o almacenar la energía química directamente, sino que la tienen que convertir en energía química, más fácil de utilizar.
Las reacciones bioenergéticas pueden explicarse en términos de transferencia de electrones entre moléculas.
Existen 2 tipos de fotosíntesis:
1) Oxigénica. Llevada a cabo por las plantas, algas y cianobacterias y el agente reductor es el agua.
2) Anoxigénica. Cumplida por bacterias donde diversos compuestos orgánicos u inorgánicos actúan como donadores de electrones, según la especie.
La fotosíntesis se inicia con la captación de la luz por los pigmentos fotosintéticos y accesorios y su conversión en energía electrónica por los pigmentos clorofílicos de los centros de reacción.
Luego la energía electrónica se transforma en energía química y queda almacenada como tal.
En la etapa siguiente, de naturaleza no fotoquímica, la energía química almacenada se utiliza para la reducción del dióxido de carbono y la consiguiente síntesis de carbohidratos.
La unidad fotosintética básica está constituida por moléculas de clorofilas y otros pigmentos que actúan como antenas y por clorofila a especializada.
Existen distintos tipos de clorofila pero todos tienen un anillo tetrapirrólico cíclico (porfirina) con un átomo de magnesio en el centro.
Existen también diferentes tipos de fotosíntesis:
Ø Por Ciclo de Calvin (C5). Esta fotosíntesis es la más común realizada por las células vegetales,
donde se produce en la primera fase el poder reductor (NADPH) y la energía química de enlace
fosfato (ATP), los que se utilizan en la segunda etapa para producir el dióxido de carbono.
Ø Por Ciclo de Hatch y Slack (C4). El CO2 se incorpora al fosfoenol piruvato para dar oxalacetato, un
compuesto de cuatro carbonos que se reduce a malato o aspartato. Has tres variantes del ciclo
fotosintético C4 que difieren principalmente en la naturaleza del ácido con cuatro carbonos
transportado a las células de la vaina.
Ø Por plantas suculentas (CAM). En estas plantas, la difusión del CO2 hacia los tejidos es nocturos
El primer compuesto producido tiene cuatro átomos de carbono y a la luz del día siguiente, ocurre
la segunda etapa de las reacciones fotosintéticas que precisa la enzima RubisCO.
La biósfera terrestre actúa tanto a nivel de fuente de carbono como de trampa de carbono. Se estima que el aumento del gas carbónico atmosférico induce a un aumento de la productividad vegetal global, la estimular la fotosíntesis y la biósfera, pudiendo absorber alrededor del 20% de la emisión total de CO2, o sea un valor inferior al liberado por la desforestación.
Los factores limitantes del crecimiento vegetal son la intensidad de la luz, la eficiencia en la utilización del agua y la disponibilidad de sales minerales en el suelo.
APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA. CONVERSIÓN MICROBIANA.
La conversión de energía solar la constituye un conjunto de material denominado biomasa vegetal, propio de los diferentes organismos que integran la flora terrestre, desde las bacterias fotosintéticas y las algas microscópicas hasta los árboles gigantes.
La biomasa vegetal ha sido utilizada en gran escala con fines energéticos, sin embargo hay factores que dificultan y limitan el aprovechamiento de una parte considerable de la misma, por ejemplo la localización de gran parte de la biomasa en los océanos.
Hay una multitud de plantas que acumulan compuestos de gran interés energético o industrial como parte de su biomasa, la mayoría de éstas viven y se desarrollan en zonas áridas.
Además de las plantas que producen hidrocarburos, se han identificado muchas otras especies vegetales que contienen diferentes compuestos orgánicos mayoritarios de interés práctico, como aceites lubricantes y combustibles.
Las microalgas, como la mayoría de los organismos clorofílicos, poseen la facultad de llevar a cabo el proceso de la fotosíntesis utilizando agua como donar de electrones, destacando especialmente las cianobacterias fijadoras de nitrógeno atmosférica, ya que, en contraste con el resto de organismos fotosintéticos, no requieren compuestos nitrogenados para su desarrollo.
METANOGÉNESIS. PRODUCCIÓN DE BIOGAS.
El dióxido de carbono es común en la naturaleza y es un producto importante del metabolismo energético de los organismos quimioorganotróficos. Los procariotas reductores de CO2 más importantes son los metanogénicos, un grupo de arqueobacterias anaeróbicas estrictas que emplean generalmente el H2 como donante de electrones.
Los metanógenos cuando crecen sobre H2/CO2 son autótrofos quimiolitótrofos.
La metanogénesis es la formación de metano por otros organismos, a partir de la materia orgánica compleja.
En la mayoría de los ecosistemas anóxicos, la etapa que limita la velocidad de la metanogénesis son las etapas que intervienen en la producción de acetato e hidrógeno, ya que la velocidad de crecimiento de los oxidantes de ácidos grasos es en general muy lenta.
Los metanógenos están muy extendidos en la tierra a pesar de la anaerobiosis obligada y de su metabolismo especialezado. Aunque el metano se produce en gran cantidad en los amientes anóxicos como pantanos y charcos, o en el rumen, el proceso también ocurre en ambientes que normalmente podrían ser considerados aerobios como suelos de bosques o praderas donde se hallan microambientes anóxicos en el interior de las partículas de suelo.
DIGESTORES ANAERÓBICOS. DIGESTORES RURALES.
Diversos materiales orgánicos tales como residuos vegetales inmanejables, desechos agrícolas, estiércols, bebidas, pulpado y papel, eindustrias químicas pueden emplearse para producir un combustible gaseoso: el biogas.
Un aumento en el interés sobre la polución ambiental hace de la digestión anaeróbica, el medio conveniente para tratar tanto los efluentes como los desechos sólidos.
El proceso de digestión anaeróbica difiere de otros tipos de fermentación en que no es necesario utilizar cultivos puros de microorganismos.
Las diversas bacterias capaces de descomponer las sustancias orgánicas y de producir biogás están ampliamente distribuidas en la naturaleza y se encuentran, por ejemplo, en los excrementos animales y humanos. En condiciones adecuadas, estas bacterias pueden activarse y mantenerse indefinidamente con un manejo apropiado.
El tamaño del digestor está determinado por el contenido de sólidos del residuo y el tiempo de retención. Los residuos ricos en materiales insolubles, tales como papel, paja y otros lignocelulósicos, pueden requerir un tratamiento de días o años, pero cuando el residuo es soluble se logra una reducción de hasta 95% con una carga diaria de 20 kg/m3 de digestor.
Se han desarrollado varios tipos de digestores. Los diseños principales son el modelo de cubierta flotante (India) y el de cúpula fija (China), y se consideran convencionales.
Diversos digestores convencionales que simulan la fermentación natural de la biomasa han sido diseñados en los últimos cien años, sin embargo la producción de metano en gran escala recién fue considerada en los años setenta.
Hay una amplia variedad de digestores anaeróbicos de una sola etapa: los de tanque único, los agitados con o sin reciclado, los filtros anaeróbicos de flujo ascendente o descendente, los de lecho expandido anaeróbicos, los de lecho fluidizado, los de manto de lodo anaeróbico con flujo ascendente y los de relleno con basura doméstica; que presentan una variedad casi ilimitada de regímenes operacionales.
El éxito de un digestor depende de la radicación y mantenimiento de los organismos acidificantes y metanogénicos en forma equilibrada.
La temperatura tiene un significativo efecto sobre la digestión anaeróbica de los materiales orgánicos. Los digestores enterrados aprovechan las propiedad aislantes del suelo que los rodea.
DIGESTORES DE RESIDUOS INDUSTRIALES.
La aplicación de un tratamiento anaeróbico a las aguas residuales industriales es una tecnología ampliamente aceptada debido a que los costos son más baratos que los procedimientos alternativos.
Mediante la digestión anaeróbica los costos de eliminación de efluentes pueden llegar a ser reducidos hasta en un 80%.
Las industrias más beneficiadas con la digestión anaeróbica son las cervecerías, destilerías, fábricas de almidón y dulces, y usinas lácteas.
DIGESTORES DE RESIDUOS URBANOS.
Las aguas cloacales urbanas contienen un 99% de agua. Debido al gran volumen y la baja concentración de materia orgánica fermentable, la separación de los sólidos (lodos) y su digestión es esencial antes del vertido en suelos o cursos de agua.
La digestión anaeróbica mesofílica es común en las ciudades donde se practica un tratamiento completo de las aguas cloacales, pero en las regiones cálidas no requiere calentamiento adicional.
La fracción orgánica de los residuos sólidos domésticos puede ser digerida en condiciones anaeróbicas, una vez separada en las plantas de tratamiento, al igual de los desechos frutihortícolas de los mercados.
PRODUCCIÓN DE ETANOL.
La fermentación es llevada a cabo por las levaduras en soluciones de 10 a 20% p/p de azúcar con pH entre 4 y 5, y a una temperatura entre 20 a 38°C durante 2 3 días para producir etanol en una concentración entre 8 y 10%.
El filtrado del cultivo es destilado recogiéndose una solución con 50 a 60% de alcohol y redestilado para obtener el azeótropo en 95%. Finalmente el azeótropo es codestilado con benceno para obtener etanol anhidro. La masa de levaduras se puede recuperar para forraje.
Como las materias primas constituyen hasta el 70% del costo final del etanol, se trata de obtener un alto rendimiento transformando la casi totalidad de los azúcares en alcohol a partir de materiales de bajo costo. El costo de los fermentadores representan la mayor fracción de los costos de capital y la productividad está limitada por la inhibición debida al producto y la dificultad de retener altas concentraciones de microorganismos.
Los microorganismos comúnmente usados son levaduras para las melazas y almidones hidrolizados, y bacterias.
BIODIESEL Y BIOFUEL. HIDROCARBUROS VEGETALES.
El biodiesel es definido por la American Society for Testing and Materials como los ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de larga cadena derivados de las fuentes lipídicas renovables.
Es producido por la reacción de un aceite vegetal o una grasa animal con un alcohol en presencia de un catalizador, para dar glicerina y los ésteres.
Es un combustible alternativo biodegradable y no tóxico, que puede ser usado puro o mezclado con gasoil, en los motores de ignición por compresión. Sus propiedades físicas y químcias en relación a la operación de los motores diesel, son similares al combustibles derivado del petróleo.
El biofuel es aceite vegetal puro, usado como biocombustible en algunos motores desarrollados para tal fin. Los aceites puros, aun los más refinados, no convienen para los motores diesel de alto rendimiento con un bajo perfil de emisiones.
El mejoramiento de la tecnología permite el uso de fuentes de bajo costo provenientes de materiales residuales para la producción del biodiesel.
El biodiesel tiene muy baja toxicidad pues es un derivado de los aceites vegetales, con bajos riesgos para los organismos de agua dulce, lo que constituye una ventaja en el caso de un derrame accidental. Además posee una biodegradabilidad de más del 90% dentro de las tres semanas.
El alto costo del biodiesel es el mayor obstáculo en su comercialización.
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