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ESTADO DEL ARTE SOBRE LA OBTENCION DE HIDRÓGENO MOLECULAR
A PARTIR DE ALGAS VERDES
CRISTO MARCELL AYALA MARTÍNEZ
CÉSAR CAMILO GRANDETT CAMPO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
DEPARTAMENTO DE POSTGRADO Y EDUCACIÓN CONTINÚA
DIPLOMADO EN INGENIERIA DE DISEÑO
CARTAGENA DE INDIAS D. T. H Y C
2012
ESTADO DEL ARTE SOBRE LA OBTENCION DE HIDRÓGENO MOLECULAR
A PARTIR DE ALGAS VERDES.
CRISTO MARCELL AYALA MARTÍNEZ
CÉSAR CAMILO GRANDETT CAMPO
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
DIRECTOR:
Adalberto Matute Thowinson Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
DEPARTAMENTO DE POSTGRADO Y EDUCACIÓN CONTINÚA
DIPLOMADO EN INGENIERIA DE DISEÑO
CARTAGENA DE INDIAS D. T. H Y C
2012
NOTA DE ACEPTACIÓN
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
Presidente del Jurado
__________________________________
Jurado
__________________________________
Jurado
Cartagena de Indias, D. T y C., Septiembre de 2012
AGRADECIMIENTOS
Primero que todo, quiero agradecer a Dios, por ser el dador de la vida y el
principal artífice de todos nuestros triunfos. Seguidamente agradecer a mi
madre Mery Martínez Guzmán, por ser un apoyo incondicional en mi vida, por
creer en mí siempre y por ser una gran madre, una gran amiga y una gran mujer.
A mi padre Joaquín Ayala Gómez por su ejemplo y su fortaleza, porque me
enseñó a ser mejor con sus grandes consejos y a superar los obstáculos
siempre mirando más allá. A mis hermanos Milagro Ayala Martínez y Joaquín
Ayala Martínez, por su compañía, apoyo y calidez hacia mí. A mi novia Leyvis
González Ruz, por todo el tiempo compartido conmigo, por su apoyo, por el
orgullo que siente hacia mí y por enseñarme a no desesperarme sino a mantener
siempre la calma, también por enseñarme a que sabe tanto la alegría como la
tristeza. A mi compañero de proyecto César Grandett Campo, sin su ayuda todo
hubiera sido más difícil, por sus consejos de amigo y por su gran estado de
ánimo siempre. A nuestro tutor de proyecto el Ingeniero Adalberto Matute
Thowinson, más que un profesor o un tutor lo recordaré como un amigo, gracias
por su tiempo, paciencia y conocimientos aplicados a nuestra investigación.
Agradezco también al Ingeniero Lácides Guzmán Rojas por su amistad y sus
buenos consejos, más que un profesor también es un amigo. A mis amigos de la
facultad: Blanca Díaz Ortiz, María Fernanda Beltrán, Irlene Gutiérrez Castro,
Ángela Fajardo Bernal, Alexis Martínez Villa, Milfa Gutiérrez Valdéz, Ana Isis
Páez y James Marín Puello, gracias a todos por su amistad, los recordaré por
siempre y auguro muchos éxitos en la vida de cada uno de ustedes. A la señora
Gloria Choperena Arrieta la cual considero como una segunda mamá y asu
familia por acogerme en su hogar y hacerme parte de ellos sin reparo ni
condiciones. A todos gracias!!!
CRISTO AYALA M.
AGRADECIMIENTOS Le agradezco a Dios por haberme guiado y acompañado a lo largo de mi preparación en la Universidad, por ser mi fortaleza en los momentos duros y de debilidad que se me presentaron a lo largo de mi carrera, por brindarme una vida llena de salud, aprendizajes, experiencias y sobre todo mucha felicidad. A mis padres Alfonso Grandett y Cida Campo por el apoyo prestado en todo momento, por los valores inculcado en mi hogar, por la lucha constante para darme lo que siempre necesite, y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el transcurso de mi vida. Y lo más importante por ser ejemplos de vida a seguir. A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y del núcleo familiar, por estar pendiente de mí en momentos donde siempre se necesita de una palabra de aliento, de bueno deseos, y de consejos para seguir luchando por un desarrollo profesional. A Isabella Sofía por llegar a este mundo en un tiempo justo y ser una bendición para la familia, a mis abuelas y tías por colocarme todos los días en sus oraciones y brindarme un apoyo incondicional. A mis amigos por ser esa gran fortaleza, por creer y confiar siempre en mí, por haber hecho de las etapas de mi vida una trayectoria y vivencias inolvidables. A mi amigo y compañero de proyecto Cristo Ayala Martínez, por tenerme la paciencia necesaria y motivarme a seguir siempre adelante en los momentos de desesperación. A la familia Mendoza Sierra por abrirme las puertas en sus vidas y acogerme como un miembro más de la familia, por sus buenos deseos y constante ayuda en los momentos donde necesite de ellos. También a el ingeniero Adalberto Matute Thowinson, por compartir parte de su conocimiento y experiencias como tutor, profesor y excelente persona, por brindar el espacio dentro de su cátedra, su supervisión constante durante el desarrollo de este trabajo de grado y por ser un ejemplo de entusiasmo a seguir de lucha constante en la vida. CESAR C. GRANDETT CAMPO
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 1
ESTADO DEL ARTE
5
1. MARCO HISTÓRICO 5 2. ALGAS 9 2.1 GENERALIDADES 9
2.2 CLASIFICACIÓN DE ALGAS 11 2.2.1 Filos 11
2.3 BIOTIPOS 14 2.3.1 Tipos 14 2.3.2 Identificación cualitativa de algas en el laboratorio 15
3. EL HIDRÓGENO 19 3.1 GENERALIDADES 19
3.1.1 Información técnica del Hidrógeno 20 3.2 DESCUBRIMIENTO DEL HIDRÓGENO 21 3.3 LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO
3.4 OBTENCION DE HIDRÓGENO A NIVEL INDUSTRIAL
22
25 3.4.1 Proceso de oxidación parcial 27
3.5 ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO 28 3.5.1 MÉTODOS TRADICIONALES DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
30
3.5.1.1 Almacenamiento en forma gaseosa 30 3.5.1.2 Almacenamiento en forma líquida 31
3.5.1.3 Combinación Química (Hidruros metálicos) 31 3.5.2 Métodos de almacenamiento de H2 en desarrollo 31 3.5.2.1 Adsorción en sólidos porosos (Nanoestructuras de Carbono) 31
3.5.2.2 Otros métodos en desarrollo 32 4. BIOPRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ALGAS
VERDES
33
4.1 GENERALIDADES 33 4.2 BIOFOTÓLISIS 34
4.2.1 Biofotólisis directa 34 4.2.2 Biofotólisis inversa
4.3 LA HIDROGENASA 4.4 PRODUCCIÓN DE H2 A PARTIR DE MICROALGAS FOTOAUTÓTROFAS
4.5 PROCESO DE PRODUCCION DE HIDRÓGENO GESEOSO 4.5.1 Proceso de producción de hidrógeno en un estado
4.5.2 Proceso de producción de hidrógeno en dos estados 4.6 PROCESOS PROPUESTOS PARA LA GENERACION DE
36
38 38
39 41
42 42
HIDRÓGENO
4.6.1 A escala de laboratorio 4.6.1.1 Producción de Hidrógeno 4.6.2 A escala piloto
4.6.2.1 Primera alternativa del proceso 4.6.2.2 Segunda alternativa del proceso
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES
GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA
42 43 45
45 49
52 54
55 60
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Procesos de endosimbiosis ocurridos en la diversificación de los
distintos grupos de algas.
Figura 2. Algas en el laboratorio.
Figura 3. Algas en el laboratorio.
Figura 4. Algas en el laboratorio.
Figura 5. Molécula de Hidrógeno biatómico.
Figura 6. Aplicaciones convencionales del Hidrogeno.
Figura 7. Consumo de Hidrógeno. Distribución según el tipo de aplicación.
Figura 8. Distribución de la producción del H2 por fuentes de energía primaria.
Figura 9. Diagrama de flujo, proceso de reformado de gas natural con vapor vivo
Figura 10. Diagrama de flujo, proceso de oxidación parcial.
Figura 11. Rombo de seguridad para el Hidrógeno NFPA.
Figura 12. Principio de funcionamiento de una celda electrolítica tipo básica o
alcalina.
Figura 13. Esquema biofotólisis directa.
Figura 14. Esquema de biofotólisis indirecta
Figura 15. Esquema de un cloroplasto presente en microalgas con sus estructuras
internas y la presencia de tilacoides.
Figura 16. Esquema del transporte fotosintético de electrones y de su distribución
en la membrana tilacoide.
Figura 17. Diagrama de flujo para la producción de H2 por biofotólisis
Figura 18. Diagrama de flujo para la generación de H2 por fotobioreactores.
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Resumen tipos de algas y características.
Tabla 2. Información técnica del Hidrógeno.
Tabla 3. Comparativa entre steam reforming y oxidación parcial
Tabla 4. Composición típica en la salida para una alimentación de fuel oil.
INTRODUCCIÓN
La demanda energética mundial, estimada en unos 10.000 millones de toneladas
equivalentes de petróleo, está conformada en el 87% por combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural. Esta dependencia tiene importantes
repercusiones tanto económicas como ambientales. Desde el punto de vista ambiental, la combustión de combustibles fósiles, utilizados para la producción de
energía térmica y eléctrica constituye el principal causante de la emisión de gases de efecto invernadero, casi un 80% de las emisiones de dióxido de carbono, responsables del efecto de calentamiento global que sufre nuestro planeta,
provienen del consumo y de la transformación de dichos combustibles en energía1.
La generación de energía a partir de combustibles fósiles ha sido una de las causa
principales de contaminación al ambiente tanto del aire, como del agua y de los suelos. Durante los últimos tres siglos, los seres humanos han usado estas fuentes por su bajo costo y por su abundancia. Sin embargo debido a la crisis de
la disminución del petróleo y el agotamiento de las reservas de carbón en muchos países, la generación de energía comenzó a impactar fuertemente en la economía
mundial, especialmente en los países que no son productores de petróleo. A lo anteriormente mencionado se le adiciona la crisis ambiental del siglo XX e
inicios del siglo XXI, caracterizada por el agotamiento de los recursos naturales y por el gran impacto que genera la producción energética en salud de los seres
vivos y en la naturaleza. Este impacto se ha reflejado en la producción de gases de efecto invernadero que han alterado sensiblemente los ecosistemas terrestres y acuáticos, así como han cambiado el clima de la tierra generando el fenómeno
del calentamiento global.
De acuerdo a las eventos mencionados, resulta necesario producir Hidrógeno para la industria, debido a que éste es conocido como uno de los más prometedores recursos energéticos del futuro para la generación eficiente de electricidad,
aunque éste no es propiamente una fuente de energía, sino un portador de energía, presenta una alternativa energética muy atractiva, por lo que actualmente
se busca migrar del petróleo al Hidrógeno como combustible, además el Hidrógeno tiene más alto contenido energético por unidad de peso que cualquier otro combustible y, en caso de accidente, se disiparía rápidamente. También
1 RIFKIN, Jeremy, La economía del hidrógeno, ed. Paidós, p.324.
2
permite la combustión a altas relaciones de compresión y a altas eficiencias en
máquinas de combustión interna.
El Hidrógeno puede generarse a partir de fuentes de energía primarias (actualmente la mayor parte del hidrógeno se obtiene a partir del reformado con vapor de hidrocarburos), fuentes de energía secundaria o intermediarios
generados industrialmente (como productos de refinería, amoniaco o metanol), y fuentes de energía renovables (biomasa, biogás y residuos). El interés creciente
en la generación de hidrógeno a partir de fuentes renovables de energía, como la biomasa, ha llevado al desarrollo de sistemas de generación de hidrógeno a partir de residuos por procesos térmicos, tales como la gasificación, la pirólisis o el
reformado del biogás generado en los procesos de digestión anaerobia.
Una alternativa a la generación de hidrógeno a partir de residuos o biomasa por procesos térmicos es la generación por procesos biotecnológicos, que siendo más respetuosos desde el punto de vista ambiental, pueden ser también competitivos
desde el punto de vista económico. Entre estos procesos destacan la generación fotobiológica y la generación fermentativa. Aunque la mayor parte de los sistemas
biológicos de generación de hidrógeno se encuentran aún en fase de desarrollo, su aplicación en el futuro es prometedora.
Es por esto, que la selección del tema se deben principalmente a la innovación que trae consigo la obtención a nivel experimental de hidrogeno a partir de algas
verdes, debido a que es una forma alternativa de obtener energía limpia y sostenible con costos menores a los que se tienen con los métodos tradicionales en la industria.
Los fundamentos epistemológicos que orientan la investigación están enmarcados
en el paradigma de la Bioquimitecnología; este abre las fronteras de la ingeniería química más allá de los límites de la industria de procesos químicos y extiende su universo de aplicación a un nuevo sector industrial: la industria de procesos
bioquímicos, donde convergen la química y la biotecnología2.
Este tema es importante para el investigador debido a que plantea un nuevo reto que es la oportunidad de rediseñar procesos que no generen desechos peligrosos y produzcan subproductos que puedan entrar en las cadenas productivas o que
generen sustancias que se puedan manejar y disponer de forma segura, o concebir sistemas que conviertan los desechos peligrosos en sustancias
manejables o útiles.
Para la Ingeniería Química resulta todo un reto debido a que ésta ha sido hasta
ahora una profesión orientada hacia los procesos; en esencia una ingeniería de
2 WEI, James, A century of changing paradigms in chemicalengineering, CHEMTECH, May 1996.
3
procesos. Como el problema central de estos materiales es encontrar el uso
correcto y el mercado apropiado, los ingenieros químicos deberán prepararse y adquirir un profundo conocimiento en los principios de la biología para
correlacionar propiedades con usos y desempeños. Sugiere esta necesidad que la ingeniería química tendrá que integrar la ingeniería de procesos con la Biotecnología, más si se tiene en cuenta que las propiedades de algunos
materiales avanzados y químicos especiales son altamente dependientes del proceso de manufactura utilizado.
Para el sector industrial, igualmente es importante debido a que se puede obtener el producto a costo más bajos de los que se tiene en la actualidad utilizando los
métodos clásicos. Además, proporciona una alternativa más limpia para el ambiente ya que permite desarrollar procesos que utilizan nuevas materias
primas debido a que la principal fuente de éstaen los últimos cincuenta años ha sido el petróleo y otros materiales naturales que están en agotamiento y que resultan muy contaminantes. También nos permite el desarrollo de bioprocesos y
diseños de plantas en las que se desarrollen tecnología de los avances de la Ingeniería Genética como: modificación del DNA de células para que sobre
produzcan la sustancia o manipulación del DNA de la célula para que cambie sus procesos metabólicos para manufacturar una sustancia deseada.
De igual forma, el tema es pertinente porque guarda relación con los principios institucionales establecidos en el PEB. En donde se incentiva a la investigación
científica, educando para la creación, la apropiación de la ciencia y de la tecnología, considerando fundamentales el análisis de la realidad y el rigor científico. Así como el amor por la naturaleza y el cuidado del medio ambiente
permite que la obtención de una energía más limpia releve una actividad contaminante por una más amigable para el entorno3.
Cabe destacar, que el proyecto se realiza teniendo en cuenta las investigaciones que se han dado a nivel mundial, mediante la utilización de herramientas Web, las
cuales no permiten aborda de manera teórica e informativa aspectos relacionados al proceso de producción de Hidrógeno a partir de algas verdes, además el ámbito
de las tecnologías que ha colaborado para el mejoramiento del proceso, así como su repercusión en la conservación de la energía y medio ambiente.
Siguiendo la idea anterior, la presente investigación se hará a nivel descriptivo
porque su objetivo es detallar de la manera más amplia cada uno de los pasos
para la generación de Hidrógeno a partir de algas verdes. Según Danhke (1986),
una investigación descriptiva busca especificar las propiedades, características y
3 Proyecto Educativo Bonaventuriano. Universidad de san buenaventura. P.85.
4
los perfiles importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier otro
fenómeno que se someta a un análisis4. Además, ésta se realizará desde un
enfoque cuantitativo, el cual consiste en reconstruir la realidad, tal y como la
observan los actores de un sistema social previamente definido. El enfoque
cualitativo utiliza la recolección de datos sin medición numérica para descubrir o
afinar preguntas de investigación y puede o no probar hipótesis en su proceso de
investigación5.
Por otra parte, El diseño implementado es de tipo no experimental porque para su
desarrollo es necesaria la observación de los fenómenos tal y como se dan en su
contexto natural, para después analizarlos. Como señala Kerlinger: ―En la
investigación no experimental no es posible manipular variables o asignar
aleatoriamente a los participante o al tratamiento‖6.
.
4 HERNANDEZ SAMPIERI, Roberto; FERNANDEZ COLLADO, Carlos; BAPTISTA LUCIO, Pilar.
Metodología de la investigación. Tercera edición: Mc Graw Hill; 2003. P. 117 5 Ibíd. p. 5-6.
6 Ibíd. p. 267.
ESTADO DEL ARTE
1. MARCO HISTORICO
El Hidrógeno (H2), fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenheim que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes, pero él no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones
químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico.
En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, y que generaba hidrógeno gaseoso.
En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal-
ácido como "aire inflamable" y descubriendo que la combustión del gas generaba agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio. Aunque asumió erróneamente que el Hidrógeno era un componente
liberado por el mercurio y no por el ácido, fue capaz de describir con precisión varias propiedades fundamentales del Hidrógeno.
Tradicionalmente, se considera a Cavendish el descubridor de este elemento. En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de Hidrógeno cuando
comprobó junto a Laplace, el descubrimiento de Cavendish de que la combustión del gas generaba agua.
La posibilidad de utilizar algas como si fueran plantas de energía microscópicas fue idea de Hans Gaffron, investigador alemán que huyó del partido nazi y
comenzó a trabajar en la Universidad de Chicago en la década de 1930. En 1939, Gaffron observó que por razones desconocidas en ese momento las algas
dejaban de producir oxígeno y comenzaban a producir hidrógeno por un período breve. A lo largo de 60 años, distintos investigadores intentaron sin éxito controlar este mecanismo.
En 1999, se produjo un descubrimiento de mucha importancia: Tasios Melis, de la
Universidad de California, Berkeley, y un grupo de investigadores del National Renewable Energy Lab (Laboratorio Nacional de Energía Renovable) descubrieron que, privadas de azufre y oxígeno, las algas comenzaban a producir
Hidrógeno durante períodos mucho más largos. Melis realizaba investigaciones para el departamento de agricultura de Estados Unidos con el fin de averiguar
cómo superaban las plantas distintas situaciones de estrés como la falta de Azufre
6
y pudo activar y desactivar su organismo productor de Hidrogeno modificando
sucesivamente el medio en el que se encontraban.
En 2001, Melis creó una empresa que lleva el nombre de MELIS ENERGY COMPANY, con el fin de comercializar una técnica que aprovecha esta capacidad de las algas de transformar en hidrógeno la energía que absorben del sol. En el
otoño de 2001, la empresa construyó un biorreactor que contenía 500 litros de agua y algas que podían producir un litro de hidrógeno por hora. El Hidrógeno se
extraía mediante un sistema de sifón, que lo almacenaba en estado gaseoso. En este momento, la empresa está perfeccionando aún el procedimiento y
buscando inversores que le permitan incrementar su volumen de producción. Melis se negó a prever fecha alguna para ese ansiado momento en que su tecnología
podría utilizarse en la producción masiva. Dijo que hasta ahora el equipo de Berkeley sólo ha podido aprovechar un 10% de la capacidad teórica de producción de hidrógeno de las algas y que dentro de poco publicará un adelanto de los
resultados obtenidos para que puedan leerlo otros investigadores.
Según Melis, el proceso podrá competir con la explotación de combustibles fósiles cuando alcance un 50 por ciento de rendimiento. Como las algas
necesitan una luz solar muy intensa, menores de 20.000 ergs/cm2 (espectro de radiación solar, entre longitudes de onda a color de 4.000 a 7.000 Amgstrong)7, agregó que el suroeste de Estados Unidos era la región más conveniente para
instalar las plantas. Melis es sólo uno de los miles de investigadores que intentan alcanzar la meta de la producción de energía a través del hidrógeno. También
existen proyectos similares en Inglaterra, Alemania, Rusia, Francia y Nueva Zelanda.
Al igual que los investigadores mencionados anteriormente, otros como Seibert y
Ghirardi abordaron diferentes métodos para la producción de Hidrógeno a partir de algas8. Wade Amos destacó la producción de Hidrogenasa por parte de las algas verdes evaluando los costos de un proceso de producción de Hidrógeno por esta
vía. Happe y Ghirardi destacaron la importancia de la presencia de la luz en la producción de Hidrógeno a partir de algas verdes. La mayor parte de la
Hidrogenasa, se encuentra en Archaea y Bacteria, pero algunas presentes también en Eucarya. Estas enzimas suelen ser agrupadas en tres clases: Fe-H2asas, NiFe-H2asas y las H2asas metal-libres, según el núcleo catalítico de la
enzima. La gran mayoría de las H2asas conocidas pertenecen a las primeras dos
7 MENDOZA, Sergio, lagunas de estabilización, recuperado el día 25 de septiembre del 2012, en:
http://desastres.usac.edu.gt/documentos/pdf/spa/doc13030/doc13030 -1.pdf. 8 Michael Seibert, Paul King, Liping Zhang, Lauren Mets, and Maria Ghirardi. 2002. Molecular
Engineering of Algal H2 Production. Proceedings of the 2002 U.S. DOE Hydrogen Program Review
NREL/CP-610-32405.
7
clases y más de cien de estas encimas han sido caracterizadas Genética y/o
Bioquímicamente. Por su parte Vignais, Billoud y Meyer, señalas que las Hidrogenasas son enzimas que catalizan la acción reversible del Hidrógeno
molecular, y desempeñan un papel central en el metabolismo energético microbiano9. Janssen propuso en el año 2000 diseños de Fotobioreactores (reactores en que se desarrollan reacciones Biológicas controladas, que son
cerradas pero que permiten la interacción del material biológico con radiación luminosa) más eficientes para la obtención de biomasa con rendimientos que
bordean el 10% en términos de la energía radiante recibida contra la expresada como Hidrógeno10. Durante la década de los noventa se desarrollaron significativos avances en este campo, tanto en la caracterización bioquímica de los
microorganismos que producen Hidrógeno bajo condiciones adecuadas (anaerobiosis y separación temporal en la producción de Oxígeno e Hidrógeno),
como en el manejo fisiológico de los cultivos, destacándose los planteamientos de Wikoff en 198811.
Desde que Gaffron y Rubin descubrieran hace más de 60 años, la habilidad de las algas unicelulares de producir Hidrógeno a través de la iluminación, la producción
fotobiológica había sido considerada hasta ese entonces como una curiosidad Biológica.
Históricamente se conoce la producción de Hidrógeno a partir de algas verdes producto de la respiración anaeróbica en la luz, a través de los descubrimientos de
Greenbaum en 1982, Roessler y Lien en 1984 y de los aportes de Happe y Naber en 1994. De acuerdo a estos diferentes estudios, una enzima, la Hidrogenasa se expresa bajo tales circunstancias y cataliza la producción de Hidrógeno tanto
Adams, como Meyer y Gagnon investigaron la forma monomérica de la enzima, la cual pertenece a la familia de las Ferrohidrogenasas, determinándose que esta es
codificada en el núcleo del alga unicelular, en tanto que la localización y funciones de la proteína se encuentran en el estroma del cloroplasto12.
Otros trabajos similares fueron llevados a cabo por Van den Hoek, Bourelly, Fox y Ghirardi. Recientemente Melis, Melniki y Mathew han trabajado en el desarrollo de
procesos que permitan la optimización de la producción de Hidrógeno tanto para
9 Vignais PM, Billoud B, Meyer J. 2001. Classification and phylogeny of hydrogenases. FEMS
Microbiol. 10
Janssen, M.; M., Winter; M., Tramper; J. Mur; L. Snel; J. Wijffel, Journal of Biotechnology, (2000) Vol.78, 123-137. 11
Wykoff, Dennis D.; John P. Davies, Anastasios Melis; Arthur R. Grossman The regulation of
photosynthetic electron transport during nutrient deprivation in Chlamydomonas reinhardtiiPlant Physiology, 1998, Vol. (117), p 129-139. 12
Adams M. W.W, The structure and mechanism of iron-hydrogenases Biochim Biophys Acta
(1990)1020, p 115-145.
8
algas como para bacterias13. Sobre el mecanismo de transporte fotosintético de
electrones en ausencia de nutrientes se destacan los aportes de Dennis Wykoff y sus colaboradores. Por su parte Tsygankov, Kosourov, Tolstygina, Ghirardi y
Seibert demostraron que la producción sostenible de Hidrógeno a través de algas verdes del género Chlamydomonas reinhardtii en ausencia de azufre, es posible bajo condiciones estrictamente autotróficas en ausencia de acetato o de cualquier
otro sustrato orgánico en el medio de cultivo14).Sobre la necesidad de un fotosistema para el crecimiento autotrófico, la fijación de CO2 y la fotoproduccion
de Hidrógeno, Redding y colaboradores realizaron un aporte de gran importancia. Por otro lado, en el instituto tecnológico de Santo Domingo en el año 2008, José
Bernardino Contreras, José Scott, Carmen Leticia Espinal, Georgina Zoraida Zapata, realizaron una investigación titulada potencial de algas verdes para la
producción fotobiológica de Hidrógeno, en esta investigación se utilizaron muestras de algas obtenidas en un arroyo, que posteriormente fueron sembradas en el laboratorio, aisladas e identificadas cada especie obtenida, los resultados
obtenidos mostraron la producción exitosa de Hidrógeno en tres especies de algas, del género Chlorella y las otras dos del genero Chlamydomonas.
13
Melis, Anastasios; Matthew R. Melnicki, integrated biological hydrogen production. International
Journal of Hydrogen Energy; Sep2006, Vol. 31 Issue 11, p1563-1573. 14
Tsygankov, Anatoly; Kosourov, Sergey; Tolstygina, Irina; Ghirardi, Maria; Seibert, Michael Hydrogen production by sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii under photoautotrophic
conditions. International Journal of Hydrogen Energy; Sep2006, Vol. 31 Issue 11, p1574-1584, 11p.
2. ALGAS
2.1. GENERALIDADES:
Se llama algas a diversos organismos autótrofos de organización sencilla que
hacen la fotosíntesis productora de oxígeno y que viven en el agua o en ambientes muy húmedos. Pertenecen al reino Protista.
Inicialmente, las algas fueron consideradas por los biólogos "plantas inferiores".
Sin embargo, en la actualidad se las incluye dentro del reino Protista, ya que sus complejos pluricelulares no forman tejidos diferenciados, pese a poder llegar a
medir decenas de metros. Pueden ser unicelulares o pluricelulares. Si bien los protozoos son básicamente heterótrofos, las algas, en cambio, son autótrofas y capaces de realizar la fotosíntesis. Pero ambos están constituidos por células
eucariotas. Existen más de 30.000 especies de algas, desde las microscópicas hasta las gigantes, que pueden llegar a alcanzar los cien metros15.
Los caracteres esenciales que distinguen a las algas del resto de los vegetales
fotosintéticos son: la falta de un verdadero embrión, no son por tanto embriofítas y la falta de una envuelta multicelular alrededor de los gametangios y esporangios. Se distinguen de los hongos por carecer estos de capacidad fotosintética. Se trata
de un grupo polifilético artificial, el cual no tiene ya uso en la clasificación científica moderna, aunque sigue teniendo utilidad en la descripción de los ecosistemas
acuáticos.
Se cree que la edad geológica de las algas verdeazules es más o menos 3.550 millones de años, a diferencia de los 400 millones de años que tienen las plantas terrestres. Además conviene recordar que fue el oxígeno generado por la
fotosíntesis de las algas verdeazules, y posteriormente por las algas eucariotas más desarrolladas, el que formó nuestra atmósfera. Actualmente, las algas
realizan cerca de 50% de la fotosíntesis del planeta, lo que las ubica en una posición crucial para el mantenimiento de la vida en la Tierra16 . La diversidad de las algas también está dada por su bioquímica y fisiología, además de por la
organización de su material genético que se refleja tanto en las algas verde-azules, llamadas procariotas, que son más simples y están relacionadas con las
bacterias, como en el resto de las especies de algas, llamadas eucariotas.
15
facultad.bayamon.inter.edu/yserrano/ALGASmicro.htm, recuperado el dia 15 de enero del 2012. 16
Daniel Robledo, las algas y la biodiversidad, recuperado el dia 20 de septiembre del 2012 en:
http://www.maph49.galeon.com/biodiv2/alga.html.
10
Esta diversidad genética y fenotípica se manifiesta más claramente en su
diversidad ecológica, que es la que determina su distribución en la biosfera, ya que existen especies dulceacuícolas, marinas y de ambientes intermedios, como
lagunas costeras, o extremosos como los hielos polares, incluyendo las asociaciones con otros organismos, como en el caso de los líquenes. Quizás sea una combinación de esta variabilidad genética lo que las hace metabólicamente
diversas, pues producen gran cantidad de compuestos bioquímicos, pigmentos y compuestos bioactivos que resultan a veces útiles para el hombre, como los
ácidos grasos poliinsaturados del tipo omega-3, también pueden contener compuestos bioactivos tóxicos, como el ácido okadaico que produce envenenamiento en el hombre.
A la pregunta de cuántas especies de algas existen, parece no haber todavía
respuesta, ya que este grupo de organismos está virtualmente inexplorado. De acuerdo con un análisis reciente, se han descrito algo más de 45.000 especies,
sabiendo que algunos grupos están pendientes de una revisión exhaustiva. Las algas son ubicuistas y viven prácticamente en todos los medios, aunque están relacionadas fundamentalmente con el medio acuático se desarrollan también en
ambientes tan variados como el suelo, la nieve o el hielo, sobre otros vegetales, etc. Generalizando se puede afirmar que en los ecosistemas acuáticos las algas
son los principales productores primarios y la base de la cadena trófica. Muchas algas son unicelulares microscópicas, otras son coloniales y algunas han desarrollado anatomías complejas, incluso con tejidos diferenciados, como ocurre
en las algas pardas. Las más grandes, miembros del grupo anterior, forman cuerpos laminares de decenas de metros de longitud17.
17
Ibíd16
.
11
2.2. CLASIFICACIÓN DE LAS ALGAS:
Las algas constituyen un conjunto polifilético, es decir, que sus miembros están
dispersos entre distintos grupos de parentesco. Para su ordenación en divisiones y clases se han utilizado características como la composición de los pigmentos, las
sustancias de reserva, el tipo de pared celular y las características de la división celular.
No obstante, existen problemas para clasificar algunas algas que podrían ser
resueltos en el futuro en el caso de las algas microscópicas con ayuda de las nuevas técnicas moleculares, junto con el uso tradicional de la microscopia electrónica y en el caso de las algas macroscópicas mediante cultivos de
laboratorio y los trasplantes al mar de éstas para establecer los límites de su plasticidad fenotípica.
El hombre también utiliza directamente las algas, y sus formas de obtención son
tan diferentes como diversas son las especies que utiliza y que van desde la cosecha de mantos de macroalgas y su empleo con un mínimo de procesamiento, hasta el cultivo intensivo de microalgas en sistemas sumamente complejos
Hay dentro del grupo algas organismos procariotas y eucariotas:
Procariotas (Prokaryota): Sólo un grupo de procariotas ha sido tratado habitualmente bajo el concepto de algas: Llamadas tradicionalmente algas verdeazuladas o algas azules, que es lo que literalmente significa su antiguo
nombre sistemático, cianofíceas (Cyanophyceae). Algunos otros grupos de procariontes realizan formas de fotosíntesis no oxigénicas, pero no suelen ser tratados como algas, sino como bacterias o arqueas.
Eucariotas (Eukarya): Muchos grupos de eucariotas, todos clasificados
habitualmente en el reino Protista, son considerados bajo el concepto de algas. En la mayoría de los casos coinciden en el mismo clado (rama evolutiva) con formas heterótrofas que tradicionalmente se han descrito como ―protozoos‖ o como
―hongos‖ (falsos hongos).
2.2.1. Filos
Filo Euglenófitos (Euglenophyta): Formas unicelulares de agua dulce dotadas de
plastos verdes, emparentadas estrechamente con los Kinetoplástidos, un grupo que incluye tanto a formas unicelulares. Son protistas unicelulares que en su
mayoría presentan plastos de distintos colores, derivados por endosimbiosis de otras algas unicelulares. Las zooxantelas a su vez son dinoflagelados endosimbióticos que crecen en distintos animales acuáticos marinos,
especialmente corales. Los Dinoflagelados están muy cercanamente
12
emparentados con los Ciliados y, más aún, con los Apicomplejos, el grupo que
incluye al parásito que produce la malaria (Plasmodium).
Filo Cromófitos (Chromophyta) o Heterokontófitos (Heterokontophyta): Un selesto (grupo evolutivo) de protistas muy heterogéneo que incluye entre sus miembros a algunos de los más importantes fotosintetizadores acuáticos, como las algas
doradas (Crisófitos, Chrysophyta), las algas pardas (Feófitos, Phaeophyta) o las diatomeas (Bacilariófitos, Bacillariophyta o Diatoma). También se incluyen aquí
algunos grupos heterótrofos, como los Oomycetes, que hasta que recientes avances genéticos permitieron comprobar su verdadera filiación, se clasificaban entre los hongos (―pseudohongos―).
Filo Haptófitos (Haptophyta o Coccolithophoridae): llamados a veces
Prymnesiophyta. Unicelulares cuyas escamas carbonatadas (cocolitos) contribuyen de forma importante a los sedimentos oceánicos.
Filo Criptófitos (Cryptophyta). Formas unicelulares flageladas de aguas frías, sobre todo marinas.
Filo Glaucófitos (Glaucocystophyta): Son protistas unicelulares de agua dulce que se caracterizan por contener cianelas, que son plastos con características típicas
de las cianobacterias y ausentes de los plastos del resto de las algas y plantas (por ejemplo, una pared residual de peptidoglucano y carboxisomas).
Filo Rodófitos (Rhodophyta): Son las algas rojas. En algunas clasificaciones se clasifican dentro del reino vegetal (Plantae).
Filo Clorófitos (Chlorophyta): Son las algas verdes, de una de cuyas ramas
evolutivas evolucionaron las plantas terrestres. Actualmente se clasifican dentro del reino vegetal (Plantae).
En la siguiente figura, observamos los sucesivos procesos de endosimbiosis que ocurrieron en la diversificación de los distintos grupos de algas:
13
Figura 1.Procesos de endosimbiosis ocurridos en la diversificación de los distintos grupos de algas.
14
2.3. BIOTIPOS:
Además de formas estrictamente unicelulares se presentan entre las algas formas
coloniales o pluricelulares con estructuras y anatomías a veces convergentes que se suelen clasificar en los siguientes biotipos:
Colonial: Pequeños grupos de unicelulares motiles laxamente agregadas y más o
menos regularmente dispuestas.
Capsoide: Células poco numerosas encerradas en una cápsula mucilaginosa común.
Cocoide: Unicelulares envueltas en una pared celular.
Palmeloide: Células inmóviles y numerosas encerradas en una cubierta de
mucílago.
Filamentoso: Células formando un encadenamiento, a veces ramificado.
Parenquimatoso: Células formando un talo, un agregado denso, pluriestratificado con algún grado de diferenciación celular.
2.3.1. Tipos:
Tipo de
algas
Pigmentos
fotossintéticos Flagelos
Reservas
alimentícias. Adicional
Algas azul-
verdes
Clorofila a-
Biliproteinas No hay
Almidón de
cianoficeas.
Organización celular procariota, no hay
membranas dobles de núcleos, cloroplastos o
mitocondrias,
reproducción sexual por conjugación, amitosis.
Algas rojas. Clorofila a y
+- d
Biliproteinas No hay
Almidón de florideas.
Estructura celular eucariótica,
reproducción sexual oógamica, detalles y
procesos que siguen a
la reproducción sexual, usualmente complejos, en su mayoría plantas
marinas.
15
A continuación observamos una tabla resumen de los tipos de algas:
Tabla 1. Resumen tipos de algas y características.
2.3.2. Identificación Cualitativa De Algas En El Laboratorio
Mediante las siguientes figuras se puede hacer la determinación cualitativa de las
algas en el laboratorio y así identificarlas por sus características fisiológicas.
Algas amarillo verdosas
Clorofila a Uno tipo tinsel y
uno látigo, de longitud desigual.
Crisolaminaria;
grasas.
Estructura celular eucariótica,
básicamente unicelulares o
coloniales, sílice a
menudo presente en la pared celular o en la
pared de las estructuras
reproductoras.
Algas
doradas
Clorofila a-
Fucoxantina
En su mayoría
uno de tipo tinsel
Crisolaminaria;
grasas.
Algas diatomeas
Clorofila a y c Fucoxantina
En su mayoría no flageladas
Crisolaminaria; grasas.
Algas
pardas
Clorofila a y c
Fucoxantina
Uno tinsel y uno
tipo látigo Laminaria
Estructura celular
eucariótica, flagelos lateralmente insertos,
las algas de mayor
tamaño y vegetativamente las
más complejas,
fundamentalmente organismos marinos de
la zona litoral de las
aguas frías.
Algas verdes
Clorofila a y b
Generalmente 2
(o más) de tipo látigo
Almidón verdadero
Estructura celular
eucariótica, pared celular celulosita,
estructuras
reproductoras unicelulares.
16
Figura 2. Algas en el laboratorio.
17
Figura 3. Algas en el laboratorio.
18
Figura 4. Algas en el laboratorio.
3. EL HIDRÓGENO
3.1. GENERALIDADES:
El Hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un
número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable.
Con una masa atómica de 1,007947 g, el Hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 73,9% de la materia visible del universo18.
En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El Hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor
parte del Hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El Hidrógeno puede obtenerse a partir del agua
por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.
Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente
para fertilizantes). El isótopo del hidrógeno más común en la naturaleza, conocido como protio (término muy poco usado), tiene un solo protón y ningún neutrón. En
los compuestos iónicos, el hidrógeno puede adquirir carga positiva (convirtiéndose en un catión llamado hidrón, H+, compuesto únicamente por un protón, a veces acompañado de algún neutrón); o carga negativa (convirtiéndose en un anión
conocido como hidruro, H-)19.
El Hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un
papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación
de Schrödinger20 puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo de la
mecánica cuántica.
18
http://www.lenntech.es/periodica/elementos/h.htm. 19
quimica.laguia2000.com/conceptos.../aplicaciones-del-hidrogeno. 20
http://www.angelfire.com/la/SEMICONDUCTORES/ecua.html.
20
Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a
temperaturas elevadas en átomos libres. El Hidrógeno atómico es un agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los
cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales libres. Reduce a su estado metálico algunas sales, como los nitratos, nitritos y cianuros de sodio y potasio. Reacciona con
cierto número de elementos, tanto metales como no metales, para producir hidruros, como el NaH, KH, H2S y PH3. El Hidrógeno atómico produce Peróxido de
Hidrógeno, H2O2, con Oxígeno. Con compuestos orgánicos, el Hidrógeno atómico reacciona para generar una mezcla compleja de productos; con Etileno, C2H4, por ejemplo, los productos son etano, C2H6, y butano, C4H10. El calor que se libera
cuando los átomos de Hidrógeno se recombinan para formar las moléculas de Hidrógeno se aprovecha para obtener temperaturas muy elevadas en soldadura
de Hidrógeno atómico21.
3.1.1. Información Técnica Del Hidrógeno
Tabla 2. Información técnica del Hidrógeno.
21
IbÍd18
.
21
3.2. DESCUBRIMIENTO DEL HIDRÓGENO
El Hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue formalmente descrito por primera vez por
T. Von Hohenheim (más conocido como Paracelso, 1493-1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente
de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de Hierro y ácidos diluidos, y
que generaba Hidrógeno gaseoso22.
En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el Hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal -
ácido como "aire inflamable" y descubriendo que la combustión del gas generaba agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y
mercurio. Aunque asumió erróneamente que el Hidrógeno era un componente liberado por el Mercurio y no por el ácido, fue capaz de describir con precisión varias propiedades fundamentales del Hidrógeno. Tradicionalmente, se considera
a Cavendish el descubridor de este elemento.
En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno, en francés
Hydrogène, del griegoὕδωρ, ὕδᾰτος, "agua" y γένος-οσ, "generador", cuando
comprobó junto a Laplace el descubrimiento de Cavendish.
A continuación presentamos una ilustración de lo que es la molécula de Hidrógeno:
Figura 5. Molécula de Hidrógeno diatómico.
22
Webelements – Hydrogenhistoricalinformation. Consultado el 15 de septiembre de 2011.
22
3.3. LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO
La combustión es un proceso poco eficiente debido a las limitaciones impuestas
por el ciclo de Carnot y, además, genera como subproducto CO2, uno de los gases responsables del efecto invernadero. En corto plazo si queremos dejar a las
futuras generaciones un planeta habitable, sin renunciar a satisfacer nuestras necesidades actuales, es decir, el fenómeno de una política de desarrollo sostenible, se deberían aplicar tres acciones simultáneas. La primera es reducir el
empleo de los combustibles fósiles como fuente de energía, más allá del precio del mercado que todos asumen que crecerá a medida que se agudice el agotamiento
de las reservas. La segunda es desarrollar tecnologías de captura del CO2 para que sean aplicadas en todos los procesos que utilizan combustibles fósiles como materia prima. Y la tercera es producir energía a partir de fuentes renovables.
Todo ello, sin olvidarse de promover políticas enfocadas a la aplicación del ahorro energético, así como el aumento en la eficacia de los mismos23.
El desafío que enfrenta actualmente la ciencia es desarrollar nuevas tecnologías
no contaminantes y más eficientes que empleen nuevas formas de energía, las llamadas energías limpias. En la medida que el costo de energía derivada de la
utilización de combustibles fósiles sea menor que el de las ―energías limpias‖, la aplicación de esta se verá limitada. Una alternativa con el fin de reducir la brecha de ―competitividad‖ seria penalizar la emisión de los gases responsables del efecto
invernadero, de tal manera que la utilización de las energías limpias sea más competitiva24.
Conviene mencionar que la humanidad también utiliza los hidrocarburos y el
carbón para obtener una variedad de productos químicos como fibras, polímeros, fertilizantes. Es así que el hidrogeno es un viejo conocido de la industria química como lo muestra la siguiente figura.
Figura 6. Aplicaciones convencionales del Hidrogeno.
23
LABORDE Miguel Ángel, RUBIERA GONZÁLEZ, Fernando, La energía del Hídrógeno, Cyted, p. 7. 24
Ibíd., p.8
23
Más del 70% del Hidrógeno conocido se emplea en la industria química y
petroquímica, y dentro de este porcentaje la mitad se utiliza para producir amoniaco, materia prima de los fertilizantes nitrogenados. Como lo muestra la
siguiente figura.
Figura 7. Consumo de Hidrógeno. Distribución según el tipo de aplicación.
Seguidamente, el Hidrógeno debido a su alto contenido energético (en base másica) ha sido considerado como un vector energético alternativo con
importantes ventajas medio-ambientales de disponibilidad, sobre los combustibles fósiles tradicionales. El carácter limpio y no contaminante del H2 como combustible, dependerá de la materia prima que se utilice para obtenerlo, del
proceso y del origen de la energía requerida. El 95% de la producción de hidrogeno es ―in situs‖, es decir se consume en el mismo sitio de su producción.
En la siguiente figura se puede apreciar que casi el 50% del H2 producido mundialmente se obtiene a partir de gas natural, y solo el 4% por electrólisis.
24
Figura 8. Distribución de la producción del H2 por fuentes de energía primaria.
Por otra parte, las nuevas tecnologías de producción de Hidrógeno deben recurrir a la utilización de biomasa como materia prima, optimizar y abaratar el proceso de
electrólisis y manejar el cambio de escala. La biomasa es el sustituto orgánico renovable más importante en EEUU, entre las energías renovables es la segunda
fuete de energía primaria, solo superada por la hidroeléctrica. Se pueden utilizar como materia prima los residuos animales, municipales y agrícolas, las plantas, granos y los residuos de la industria del papel y de la madera. Entre los procesos
sobre los cuales se está investigando se puede mencionar la gasificación con vapor, la pirolisis, la fermentación y el uso de microorganismos, en particular el
empleo de cianobacterias y algas verdes para producir Hidrógeno por fotólisis del agua aparecen como un proceso muy atractivo.
Es importante destacar, que Iberoamérica se ha caracterizado por comprar la tecnología asociada a la generación de energía y a la industria química y
petroquímica; a la vez que se observa una estructura en donde las tecnologías asociadas a las nuevas tecnologías no pueden competir, desde un punto de vista
económico, con las tecnologías que emplean combustibles fósiles. Este cambio de paradigma en la producción de energía es una excelente oportunidad para que nuestros países puedan desarrollar tecnologías propias. Difícilmente la empresas
privadas nacionales, por sus conductas históricas, se arriesguen a invertir en este campo. Por consiguiente, para obtener algún grado de éxito es necesario que los
estados jueguen un papel activo, apoyando estos emprendimientos con políticas y
25
presupuestos adecuados. De darse esta situación, Iberoamérica cuenta con
técnicos y profesionales con capacidades suficientes para enfrentar este desafío25.
3.4. OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO A NIVEL INDUSTRIAL
Actualmente se utiliza el siguiente proceso por etapas para la obtención de
Hidrógeno en la industria:
Reacción endotérmica catalizada entre el metano (gas natural) con vapor de agua a alta temperatura (steam reforming) produciendo una mezcla de monóxido e H2.
Llamada syngas o gas de síntesis. La mezcla gaseosa así obtenida es difícil de separar ya sea física o químicamente (es necesario enfriar hasta -205 ºC antes de que el monóxido pueda condensar)
CH4 (g) + H2O (g) (Ni, 800ºC) CO (g) + 3H2 (g) ΔH = +206 KJ
Para aumentar el rendimiento y facilitar también la separación posterior, el monóxido se oxida a dióxido. Para ello, la mezcla es enfriada y se le inyecta vapor de agua de nuevo, esta vez sobre un catalizador de óxido de hierro III (Fe2O3).
CO (g) + H2O (g) (Fe2O3, 400ºC) CO2 (g) + H2 (g) ΔH = -41.2 KJ
Así pues la reacción global será:
CH4 (g) + H2O (g) CO2 (g) + 4H2 (g) ΔH = +164.8 KJ
El problema de separar el dióxido del H2 es más sencillo. Hay varias formas de abordar la separación:
Medios físicos Una opción es enfriar la mezcla por debajo de la temperatura de condensación del CO2 (-78 ºC) muy diferente a la del H2 (-253 ºC).
Económicamente viable mediante un servicio de frío en planta.
Medios químicos El CO2 es un oxido ácido que reacciona con una disolución de carbonato potásico para dar el carbonato ácido de potasio. Calentando este se
puede regenerar el carbonato:
25
Óp. Cit23
p. 9.
26
Figura 9. Diagrama de flujo, proceso de reformado de gas natural con vapor vivo.
K2CO3 (ac) + CO2 (g) + H2O (l) 2KHCO3 (ac)
Una alternativa al metano es la utilización de cualquier otro hidrocarburo o incluso carbón.
C (s) + H2O (g) (1000ºC) CO (g) + H2 (g) ΔH = +130 KJ
CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) ΔH = -41.2 KJ
C (s) + H2O (g) 2H2 (g) + CO2 (g) ΔH = +88.7 KJ
Como comparativa del steam reforming (con gas natural o hidrocarburos) y la oxidación parcial del carbón se presenta la siguiente tabla, muy genérica pero que contextualiza muy bien los dos métodos actuales de producción industrial de
hidrogeno.
Hidrocarburos Carbón
Temperatura 1100-1500 ºC
Presión 1 – 130 atm
Capacidad 800e6*Nm3/año
7.7e6 GJ/año
876e6Nm3/año
8.4e6 GJ/año
Coste inversión 186 millones U$S 240-270 M U$S
Coste producción 7.1-17 U$S/GJ 10-17 U$S/GJ
Eficiencia 75-86 % 45- 50 %
Tabla 3. Comparativa entre steam reforming y oxidación parcial
27
3.4.1. Proceso De Oxidación Parcial
A pesar de que estos procesos pueden funcionar perfectamente con gas natural,
gas de refinería u otras mezclas de gases hidrocarbonatos su gran ventaja es que pueden producir Hidrogeno a partir de hidrocarburos líquidos como gas oil, diesel,
y en ocasiones fuel oil. Estas son tres versiones comerciales del proceso. Se emplea la combustión parcial no catalítica de la alimentación del Hidrocarbono con Oxígeno en presencia de vapor en una cámara de combustión con temperaturas
de llama que oscilan entre los 1300 y 1500 ºC26.
La reacción global es exotérmica así que por encima de todo es un proceso que genera calor. La composición gaseosa del producto depende de la proporción C/H
alimentada y del vapor generado, así pues la presión no tiene efecto significativo sobre esta composición. El proceso es habitualmente conducido de 2 a 4 MPa
usando equipos compactos que reducen costes de compresión. Una composición típica en la salida para una alimentación de fuel oil es la mostrada en la siguiente tabla.
Producto Fracción molar
H2 0.48
CO 0.461
CO2 0.043
CH4 0.004
N2, inertes 0.003
H2S 0.009
Total = 1
Tabla 4. Composición típica en la salida para una alimentación de fuel oil.
Este gas tiene una relación óxidos de Carbón/Hidrógeno mucho más alta que el reformado con vapor.
En la aplicación comercial del proceso Texaco, el oil precalentado es mezclado a
presión con Oxígeno y vapor precalentados también para alimentar el quemador de oxidación parcial. Para obtener una producción de 100 metros cúbicos de hidrogeno y monóxido de carbono se emplean 26 metros de oxígeno al 95 – 99%.
La mezcla producto es enfriada directamente en contacto con agua y filtrada de tal forma que se elimina del flujo gas el carbono no reaccionado. A su vez estos
26
www.carburos.com/productos_sectores/hidrogen_pilas.html, recuperado el 20 de septiembre del
2011.
28
restos de carbono se eliminan del agua por filtración para un posterior uso o
simplemente se desecha dicha agua. El resto de etapas del proceso son las mismas que en el proceso de reformado: Shift de alta temperatura (mezcla con
vapor y mezcla fluidizada a través de Óxido de Hierro, catalizador, para convertir el monóxido en dióxido, 90 a 95% de conversión), enfriado de nuevo antes de entrar en el Shift de baja temperatura. Enfriado a 38 ºC con agua antes de entrar
al absorbedor de CO2. Los gases purificados, no en su totalidad o aceptable al menos, se recalientan con los producidos en etapas anteriores antes de pasar al
metanador que con Ni catalítico convertirá los gases carbónicos en metano. Este podría ser ya el producto final según especificaciones27.
Figura 10. Diagrama de flujo, proceso de oxidación parcial.
3.5. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
Aunque el Hidrógeno pueda convertirse en un vector energético determinante,
tiene que superar dos obstáculos que podrían frenar su utilización. Si bien es el más ligero de los átomos existentes, es también el más voluminoso en su estado
gaseoso a temperatura y presión corrientes. Además, su capacidad de liberación de energía hace que sea un gas especialmente inflamable. Por lo tanto, antes de utilizarlo, habrá que resolver la compleja problemática de su almacenamiento y su
distribución en las condiciones requeridas de volumen y de seguridad, así como del coste de sus operaciones. Estos aspectos, así como la puesta a punto de las
pilas de combustible, forman ciertamente el segundo ―nudo‖ tecnológico que condiciona la llegada de la economía del hidrógeno
27
Anónimo, Proceso productivo del Hidrógeno, recuperado el día 1 de octubre de 2011, en:
http://www.textoscientificos.com/quimica/hidrogeno/produccion.
29
La vía más prometedora, que sería decisiva para el florecimiento de las pilas de
combustible en los sectores del transporte y de las aplicaciones portátiles, parece ser la del almacenamiento sólido.Los científicos llevan años experimentando
diferentes métodos de almacenar el Hidrógeno, lodos de hidrógeno, nanotubos de carbono, nanofibras de grafito, fulerenos, zeolitas, microesferas de vidrio, hidruros metálicos etc. Los depósitos de hidruros metálicos contienen compuestos
metálicos (fundamentalmente metales de transición y tierras raras), que forman redes cristalinas con intersticios en los que bajo ciertas condiciones pueden
quedar absorbidos átomos de Hidrógeno. La capacidad de almacenamiento del metal viene determinada por sus curvas PCT (presión, concentración y temperatura) características. En condiciones catalíticas apropiadas y a través de
una ligera calefacción (del orden de los 80ºC, que podría ser obtenida por el propio calor emitido por la pila de combustible) un fenómeno de desorción libera
después el Hidrógeno haciendo posible su utilización como combustible. Un equipo de las universidades inglesas de Newcastle upon Tyne y Liverpool ha descubierto un medio seguro de almacenar Hidrógeno en materiales nanoporosos
y a temperatura ambiente28.
Los investigadores descubrieron el nuevo material cuando investigaban los efectos del Hidrógeno sobre los metales, tras fabricar un compuesto organometálico de
seis átomos de rodio (un metal que se utiliza en los catalizadores de los coches) y doce de Hidrógeno. En concreto, los científicos vieron que este complejo podía adsorber dos moléculas de hidrógeno a presión y temperatura ambiente, y que las
liberaba cuando se hacía pasar por el material una pequeña corriente eléctrica. Este tipo de adsorción y liberación a escala atómica hace que el material sea ideal
para resolver el problema del almacenamiento del Hidrógeno. Ahora tratan de imprimir el material en hojas que se puedan apilar y encerrar en un depósito. Posiblemente, el depósito se podría instalar junto a otro de hidruro metálico que se
activaría en cuanto el conductor del vehículo pisara el acelerador, dando tiempo a que el depósito principal de hidruros se calentara hasta la temperatura necesaria
para empezar a descargar el Hidrógeno.
Así mismo, los cilindros de Hidrógeno deben ser almacenados en áreas ventiladas, separados de los oxígenos y otros oxidantes a una distancia mínima de seis metros. Se deben almacenar siempre los cilindros de forma vertical, además
sabiendo que los cilindros llenos deben estar separados de los vacios. Para movilizar los cilindros a nivel del piso se deben rodar de uno a uno por la base, no
se deben arrastrar ni deslizar. Se debe además proteger a los cilindros de daños físicos, indicar con letreros la prohibición de fumar y el uso de llamas abiertas en las áreas de almacenamiento y mantener los cilindros lejos de fuentes de calor o
de donde puedan formar parte de un circuito eléctrico29.
28
Nitrox, Hoja de seguridad del Hidrógeno 29
http://gruponitrox.com.ve/seguridad/ files/Hidrogeno.pdf
30
A continuación se observa el rombo de descripción de riesgos de la norma NFPA
para el hidrógeno30.
Figura 11. Rombo de seguridad para el Hidrógeno NFPA.
Rojo: para un valor de 4, es extremadamente inflamable.
Azúl: para un valor de 1, es ligeramente riesgoso para la salud.
Amarillo: para un valor de 0, se comporta de manera estable.
Blanco: el Hidrógeno no presenta ningún tipo de reacción especial.
3.5.1. Métodos Tradicionales De almacenamiento De Hidrógeno
A continuación, se ampliará de manera detallada los métodos tradicionales de almacenamiento de Hidrógeno en la industria.
3.5.1.1. Almacenamiento En Forma Gaseosa
Dado que el Hidrógeno es producido en forma gaseosa y sus aplicaciones suelen
requerir que se encuentre en este estado la vía más simple podría ser su almacenamiento a alta presión. Este tipo de almacenamiento (presiones superiores a 20 MPa) requiere que los depósitos sean pesados y voluminosos,
además de plantear cuestiones de seguridad tanto en los vehículos como en los depósitos de almacenamiento, distribución y carga de Hidrógeno. Cuando se
compara esta alternativa frente al empleo de otros combustibles, el almacenamiento de Hidrógeno gaseoso en recipientes a presión no resulta
30
http://www.aga.com.ec/international/web/lg/ec/likelgagaec.nsf/repositorybyalias/pdf_msds_h/$file/
Hydrogen.pdf.
31
competitivo debido a su baja densidad y al elevado coste de los recipientes a
presión y del propio proceso de compresión del hidrógeno31. 3.5.1.2. Almacenamiento En Forma Líquida
La opción del almacenamiento de Hidrógeno en estado líquido en recipientes
criogénicos requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento bastante bajas (-251,8 °C), haciendo inevitable su pérdida por volatilización incluso empleando las
mejores técnicas de aislamiento. Además, el alto consumo energético asociado al enfriamiento, aproximadamente el 30% de la energía almacenada, hace que esta opción resulte inviable en la práctica, desde el punto de vista económico, salvo en
aquellas aplicaciones donde el coste de hidrógeno no sea un factor crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en aplicaciones
aeroespaciales)32. 3.5.1.3. Combinación Química (Hidruros Metálicos)
Numerosos metales de transición, y sus aleaciones, pueden ser utilizados para
almacenar Hidrógeno en forma de hidruros metálicos. Estos hidruros se forman por reacción con Hidrógeno, siendo éste absorbido en la estructura metálica, y pudiendo ser desorbido gracias a pequeñas variaciones de presión Además de la
dificultad que supone el intentar reducir la temperatura y presión de desorción de los hidruros con mayor capacidad de almacenamiento de Hidrógeno, esta
alternativa presenta un serio problema relacionado con el elevado peso del sistema de almacenamiento como consecuencia de los bajos niveles de retención de Hidrógeno que se consiguen (<2% a temperaturas inferiores a 150 °C)33 .
3.5.2. Métodos De Almacenamiento De H2 En Desarrollo
3.5.2.1. Adsorción En Sólidos Porosos (Nanoestructuras De Carbono)
Recientemente, se ha planteado la posibilidad de llevar a cabo el almacenamiento de hidrógeno mediante adsorción en un sólido poroso, lo que presentaría la
ventaja de ser una forma más segura y sencilla de manejar el Hidrógeno, reduciéndose drásticamente la presión necesaria para su almacenamiento.
En este sentido, los primeros trabajos publicados basados en nanoestructuras de carbono mostraban almacenamientos excepcionales de hasta el 60% en peso.
31
BOTAS, J.A, CALLES, J.A., DUFOUR, J, SAN MIGUEL, G. La economía del hidrogeno –una visión global sobre la revolución energética del siglo XXI, recuperado el día 13 de septiembre en:
http://www.aecientificos.es/empresas/aecientificos/documentos/LAECONOMIADELHIDROGENO.pdf 32
Ibíd31
. 33
Ibíd31
.
32
Desde entonces y hasta el momento, se está dedicando un gran esfuerzo al
estudio de nanoestructuras de carbono con elevada superficie específica (fibras, nanotubos y carbones activos) concluyendo que la cantidad de Hidrógeno
adsorbida a baja temperatura (-196 °C) es proporcional a la superficie específica BET de la nanoestructura de carbono, independientemente de la estructura geométrica del carbón, con valores máximos muy inferiores a los anteriormente
indicados. También se concluye que la cantidad de Hidrógeno fisisorbido a temperatura ambiente y presiones de hasta 35 MPa es inferior al 0,1% en peso
para cualquiera de las nanoestructuras estudiadas, lo que cuestiona su potencial utilidad para esta aplicación34. 3.5.2.2. Otros Métodos En Desarrollo
En esta línea, en el Departamento de Tecnología Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos se están desarrollando diferentes actividades relacionadas con el almacenamiento de Hidrógeno en dos familias de nuevos
materiales con potenciales aplicaciones en procesos de separación y almacenamiento de hidrógeno: estructuras organometálicas porosas isoreticulares
(IRMOFs) y materiales organosilíceos periódicos mesoestructurados (PMOs). También se trabaja en la predicción de las propiedades relacionadas con el almacenamiento de Hidrógeno de estos materiales mediante estudios de
simulación molecular y su verificación mediante la obtención de los datos experimentales correspondientes a la cinética y el equilibrio de adsorción de
Hidrógeno35 .
34
Óp. Cit31
. 35
Óp. Cit31
.
33
4. BIOPRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE ALGAS VERDES
4.1. GENERALIDADES
La bioproducción consiste obtener Hidrógeno a partir de organismos vivos, ya sea
en presencia de luz solar o por fermentación. Las algas verdes realizan un tipo específico de biofotólisis en un solo paso donde, primeramente, se debe incubar a las algas en la oscuridad y luego poner a acción de la luz. Logrando así separar el
agua en Hidrógeno y Oxígeno por acción de la luz, gracias a enzimas presentes en las algas verdes, como la Hidrogenasa. En la biofotólisis directa la producción
de Hidrógeno depende de la tolerancia de la Hidrogenasa al Oxígeno. Este proceso no es sostenible en el tiempo ya que el Oxígeno inactiva a la enzima Hidrogenasa. La biofotólisis tiene ventajas en el medio ambiente debido a que no
produce gases de efecto invernadero y es potencialmente energético pero aún ofrece bastantes desventajas que se contraponen36.
La producción biológica de Hidrógeno se debe principalmente a la presencia en la
célula de dos enzimas, la Hidrogenasa muy sensible al Oxígeno y la Nitrogenasa.
Las algas verdes producen Hidrogeno por biofotólisis directa o indirecta que ocurre
en dos fases, la fijación del Dióxido de Carbono y la generación de Hidrogeno,
también se produce porfermentación oscura donde están involucradas bacterias
anaeróbicas. La producción biológica de Hidrogeno es un método de gran
potencial pero su ritmo de producción es lento y necesita de grandes superficies.
De acuerdo a lo mencionado, la producción de Hidrógeno basado en la
fotosíntesis comprende la adaptación del proceso para prevenir la formación de
biomasa. El proceso de la fotosíntesis involucra la absorción de luz, mediante dos
sistemas fotosintéticos, que comprenden la descomposición de la molécula de
agua junto con la generación de O2 y la reducción de CO2. En las plantas verdes,
la reducción del CO2 se lleva a cabo debido a la ausencia de enzimas que
catalicen la formación de Hidrógeno. En caso de las microalgas, tales como las
algas verdes, la presencia de Hidrogenasa permite la producción de Hidrógeno si
se mantienen ciertas condiciones de anaerobiosis37. Desgraciadamente la
producción está irremediablemente ligada a la generación de Oxigeno, la cual nos
lleva a la inhibición de las Hidrogenasas y al cese de la producción de
36
Acosta, Alina; Agüero, Talía; Aguilar, Nadia; Aguilera, Carmen; Alegre, Allison; Alvarenga, Diana.
BIOPRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO: UTILIZACIÓN DE MICROALGAS. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 37
J.R. Benemann. Feasibility analysis of photobiological hydrogen production.Int J Hydrogen
Energy 1997
34
Hidrógeno38. La utilización de algas verdes para la generación de Hidrogeno se
cataloga en el proceso de biofotólisis directa, mientras que en el uso de
cianobacterias se engloba en el proceso de biofotólisis indirecta. Entre las algas
productoras de hidrogeno más conocidas se encuentra la Chlamydomonas
reinhardtii. Sin embargo la actividad de la enzima Hidrogenasa se ha detectado en
otras especies de algas, también capaces de producir Hidrógeno, como lo son
Scenedesmus obliquus39 , Chlorococcum littorale, Playtmonas sobcordiformis,
Chlorella fuscas, Chlamydomonas augustae y Chlorella vulgaris. A pesar de los
logros alcanzados en la producción de Hidrógeno con este sistema, las
velocidades de producción obtenidas se encuentran alrededor del 15% del
máximo teórico biológico, sugiriendo por tanto que se requieren mejoras
substanciales en el proceso. De forma similar también se requiere mejorar la
continuidad en la producción y optimizar la conversión de la energía solar en las
condiciones de cultivo40.
4.2. BIOFOTÓLISIS
La producción de Hidrógeno por biofotólisis, también citada como fotodisociación
biológica del agua, se refiere a la conversión de agua y energía solar a Hidrógeno
y Oxígeno usando microorganismos, comúnmente microalgas y/o cianobacterias.
Si bien la producción biológica o por microorganismos de Hidrogeno ha sido un
campo de activa investigación tanto aplicada como básica por al menos dos
décadas, su producción industrial se realiza por hidrólisis eléctrica de agua41:
La cual consiste en un proceso electroquímico en el cual el agua se divide en
Hidrógeno y Oxígeno. La electrólisis consiste en pasar corriente eléctrica por
medio de dos electrodos, un cátodo que es el negativo y un ánodo que es el
positivo. Al someter a la sustancia a la corriente ambos electrodos presentaran
desprendimiento de gases, por el cátodo se desprende el gas Hidrógeno, mientras
que por el ánodo se desprenderá el gas Oxígeno. Lo expresado anteriormente se
puede escribir de la siguiente forma:
38
A. Melis, T. Happe. Hydrogen production: green algae as a source of energy. Plant Physiol.
2001. 39
L. Florin, A. Tsokoglou, T. Happe. A novel type of iron hydrogenase in the green alga Scenedesmus obliquus is linked to the photosynthetic electron transport chain. J. Biol. Chem. 2001 40
A. Melis. Green alga hydrogen production: progress, challenges and prospects. Int J Hydrogen Energy 2002 41
JORQUERA. C, Orlando, Hernández, P, José, HERRERA, Z, Leandro, Producción biofotolítica
de Hidrógeno.
35
CATODO: 2H2O + 2e- = H2 + 2OH
ANODO: 2HO = ½O2 + H2O + 2 e-
H2O = H2 + ½O2
Figura 12. Principio de funcionamiento de una celda electrolítica tipo básica o alcalina.
O por reacciones químicas desde gas metano:
CH 4 2H2O 4H 2 CO2
La investigación del proceso de biofotólisis 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
Su reacción global es: H2O + 2H+ —> H2 + 1/2(O2) + 2H+G° = 238 kJ/mol.
Los microorganismos 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
36
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
metabolismo celular de los microorganismos. A partir de estos sustratos
metabólicos (metabolitos) los diferentes microorganismos pueden producir
Hidrógeno (H2) por biofotólisis indirecta. La producción de Hidrógeno por
biofotólisis, ya sea directa o indirecta depende de la presencia o ausencia de luz.
4.2.1. Biofotólisis Directa
Esta se lleva a cabo bajo una radiación luminosa, 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 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 las
microalgas unicelulares las mejores productoras de H2 por esta vía42.
Figura 13. Esquema biofotólisis directa
42
Biofotólisis, recuperado el 25 de septiembre del 2012 en: http://jonathan-alba.blogspot.com/2012/07/biofotolisis.html.
37
4.2.2. Biofotólisis Inversa
Esta se lleva a cabo 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). Una cepa de un
microorganismo marino de fijación de nitrógeno Cyanothece 51142 ha demostrado
ser la forma más eficiente de producción de Biohidrógeno hasta la fecha. Este 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 subproducto43.
Figura 14. Esquema de biofotólisis indirecta
4.3. LA HIDROGENASA
La Hidrogenasa es una proteína perteneciente al grupo de enzimas que catalizan
reacciones originalmente en los sistemas biológicos, en particular esta enzima
favorece la degradación reversible del dihidrógeno (Hidrógeno molecular)
transformándolo en dos átomos de Hidrógeno separados cargados positivamente 43
Óp. Cit42
.
38
(ion Hidrógeno) de tal manera que éste se encuentra listo para reaccionar con
cualquier otro elemento con afinidad que se le presente. Este tipo de enzimas son
producidas por varios microorganismos, por ejemplo las bacterias fijadoras de
Nitrógeno que se encuentran en la tierra para suministrar Nitrógeno a las plantas.
Estas enzimas son consideradas metalproteínas porque pueden contener Hierro o
Níquel-Hierro en su centro activo rodeado de una cadena de aminoácidos rica en
Azufre44.
Reacción en ambos sentidos:
H2 + Aox → 2H+ + Ared
2H+ + Dred → H2 + Dox
Donde ―A‖ es el aceptor de electrones y ―D‖ el donante de electrones.
4.4. PRODUCCION DE HIDRÓGENO A PARTIR DE MICROALGAS FOTOAUTÓTROFAS.
La producción de Hidrógeno por microalgas fotoautótrofas se basa en la utilización
de la energía solar para la fotodisociación del Agua y la consecuente transferencia
de electrones en una cadena transportadora de ellos ubicada en estructuras como
los tilacoides, como lo muestra la siguiente figura.
Figura 15. Esquema de un cloroplasto presente en microalgas con sus estructuras internas y la
presencia de tilacoides.
44
La Hidrogenasa, recuperado el 23 de septiembre del 2012, en: www.esacademic.com/dic.nsf/es_mediclopedia/39128/hidrogenasa.
39
En la membrana de estas estructuras, está la maquinaria fotosintética, la cual
consiste en una serie de proteínas y compuestos que en último término
transportan los electrones desde el Agua hacia las moléculas como NADH
(nicotinamida adenín dinucleótido en su forma reducida) y el H2. Las proteínas y
enzimas que se encuentran en el proceso fotosintéticos bajo condiciones
aeróbicas son: fotosistema II (PSII), complejo b6f, fotosistema I (PSI), Ferredoxina
(Fd), NADH reductasa, y transportadores como Plastoquinona (PQ), Plasticianina
(PC), así como los pigmentos clorofila a y b.
Por otra parte, bajo condiciones anaerobias, se expresa la Hidrogenasa, que se
una a la ferredoxina, para catalizar la conversión de dos protones (2H+) a
Hidrógeno gaseoso (H2). La transferencia de electrones bajo las condiciones
descritas anteriormente, realiza la producción de Hidrógeno mediante la enzima
Hidrogenasa, enzima reversible la cual bajo ciertas condiciones anaerobias es
capaz de reducir los protones a Hidrógenos oxidando Ferredoxina en su estado en
su estado reducido a su estado oxidado, según la reacción:
4.5. PROCESOS DE PRODUCCION DE H2 GASEOSO
La producción de Hidrógeno gaseoso a partir del agua, requiere manipular la
secuencia de reacciones bioquímicas, interactuando con la célula completa (pero
sin modificarla en principio), en alguna modalidad que obligue la aparición de gas
Hidrógeno que, de ser dejado al sistema natural, no sería producido en absoluto
hacia el medio exterior a la célula. Se han popularizado dos alternativas
tecnologías, a nivel solamente de laboratorio y de algunos ensayos pilotos.45 .
En el primer proceso, la producción de Oxígeno fotosintético con la consecuente
acumulación de carbohidratos, está separada de la producción de gas H2 tanto
temporal como espacialmente. Este es un proceso de dos estados: el CO2 es
primero fijado a sustratos ricos en Hidrógeno durante la fotosíntesis oxigénica
normal (estado 1), seguido por generación de Hidrógeno molecular cuando las
microalgas son incubadas bajo condiciones anaeróbicas (estado 2). Por ende este
enfoque requiere, de un sistema de cultivo y de otro sistema aparte para la
generación de Hidrogeno.
45
Óp. Cit41
.
40
Por otra parte, la segunda aproximación está relacionada con la producción de
Oxígeno fotosintético y gas Hidrógeno simultáneamente. En este caso los
electrones son liberados de la oxidación del Agua y son conducidos a la
Hidrogenasa sin estar mediada la fijación de CO2 ni en almacenamiento de
energía como metabolitos celulares. Este mecanismo en el proceso de generación
de Hidrógeno, ha resultado superior al proceso de dos estados, ya que se ha
obtenido eficiencias de conversión de energía (luminosa a gas Hidrógeno) de un 5
a un 10%. Sin embargo este proceso de un estado tiene limitaciones
principalmente por la inhibición de Hidrogenasa por el Oxígeno que es producido
por la disociación del agua por el PSII.
Figura 16. Esquema del transporte fotosintético de electrones y de su distribución en la membrana
tilacoide.
4.5.1. Proceso De Producción De Hidrógeno En Un Estado
Se ha descrito que bajo ciertas condiciones de limitación de nutrientes, con un
medio libre de Azufre (como sulfato) y en condiciones anaerobias, algunas microalgas como la Chlorella vulgaris y la Chlamydomonas reiinhardti son capaces
de producir Hidrógeno de manera sostenida en el tiempo46.
La falta de sulfato en el medio, genera un desacoplamiento del fotosistema II
(PSII) y una perdida en la disociación del agua. La pérdida de actividad del PSII se
46
Óp. Cit13.
41
debe a la alta tasa de biosíntesis de proteína ―novo‖ en el cloroplasto, necesaria
para el frecuente reemplazo de proteínas del centro de reacción en el complejo
que oxida el agua en el PSII. En ausencia de Azufre que es un componente
esencial de los aminoácidos cisteína y metionina, la biosíntesis y la reparación del
PSII se bloquea47.
Este desacoplamiento permite la producción sostenida de Hidrógeno. Los
electrones en este proceso son aportados por el consumo de sustratos
endógenos. Tales electrones pasan a través de la plastoquinona al complejo b6f y
al PSI, con un transporte acoplado a la Hidrogenasa reversible, para generar
finalmente H2 y ATP. El O2 remanente es consumido en la ruta de fosforilación
oxidativa. Este proceso incluye la habilidad de reciclar el cultivo repetidamente,
regular la producción de Oxígeno fotosintético y la utilización de productos de
fermentación excretada.
4.5.2. Proceso De Producción De Hidrógeno En Dos Estados
Como se mencionó anteriormente en la etapa 1 (fotosíntesis oxigénica), se busca
conseguir una acumulación de carbohidrato vía ciclo de Calvin. Luego estas
células son incubadas anaeróbicamente por un cierto periodo para inducir la
expresión de genes que codifican para la Hidrogenasa reversible y para otros
genes que pueden ser esenciales para la producción de H2. En una segunda
etapa, estas células son operadas bajo condiciones anaeróbicas y en presencia de
luz con la consecuente producción de Hidrógeno.
Esta producción de H2 puede deberse a dos mecanismos: uno, producto de la
fermentación de carbohidratos vía fermentación de Ribulosa 5-P y generación de
CO2 e Hidrógeno; pero, también puede explicarse por el aporte de electrones
directamente a la maquinaria fotosintética modificada (tecnológicamente) por las
condiciones anaerobias.
4.6. PROCESOS PROPUESTOS PARA LA GENERACIÓN DE HIDRÓGENO
4.6.1. A Escala De Laboratorio
En este nivel, vale la pena destacar la investigación realizada por José Bernardino
Contreras Pérez, José A. Scott, Carmen Leticia Mendoza, Georgina espinal y
Zoraida Zapata. Realizada en la ciudad de Santo Domingo en el año de 2008, con
el fin diseñar un procedimiento experimental para determinar la existencia de
47
Óp. Cit13.
42
microalgas clorofíceas fotolíticas con potencial para la producción anaerobia de
H2, en ausencia de Azufre y bajo condiciones controladas de laboratorio en
República Dominicana.
La investigación inició con la identificación de posibles lugares, en la periferia de
Santo Domingo con posibilidades para la recolección de las muestras de cuerpos
de aguas corrientes. Las muestras de agua se recolectaron en envases estériles
de bocas anchas, y se trasladaron al laboratorio en un plazo de una hora a dos
horas después de colectadas, para evitar la muerte de microorganismos por
anoxia o por maltrato físico producto del traslado. Las muestras posteriormente
fueron divididas en dos partes de 50 mL cada una antes de ser trabajadas. Una
parte fue filtrada en papel de filtro para la observación e identificación de
microorganismos y microalgas colectadas y la otra parte se reservó para el cultivo.
La identificación se inició observando las muestras filtradas, se colocó gota a gota
la muestra en un portaobjeto, con su correspondiente cubreobjetos, con aumento
de 4x, 10x, 40x y 100x con aceite de inmersión. Los organismos observados se
identificaron con claves de identificación de algas contenidas en la sección
110900D de la edición 17 del standard methods de la AWWA.
Cabe destacar, que de los medios de cultivos evaluados, el que presentó mayor
potencialidad para el cultivo de algas fue el medio TAP (Tris-Acetato-Fosfato) por
ser el más recomendado en las bibliografías consultadas por su facilidad de
preparación y obtención de sus componentes a nivel comercial.
Las muestras colectadas, fueron sembradas en el medio de cultivo mencionado
antes, de forma sólida y liquida. El medio de cultivo sólido se preparó añadiendo
15 g de agar por cada 1000 mL de solución de TAP previamente esterilizada y
luego vertida en placas de Petri estériles hasta su solidificación. Para el medio
líquido se disolvieron los reactivos correspondientes del TAP en 100 mL de agua
destilada y se procedió a esterilizar, dejando el uso según demanda del medio de
cultivo. Las muestras se sembraron en placas de Petri en condiciones de
esterilidad total tanto de las agujas como de las asas, según el método de siembra
estría por agotamiento, utilizado comúnmente en el manejo de cultivos
bacteriológicos, se colocaron por espacio de tres días bajo iluminación constante
de 2.000 Lux para el crecimiento y concentración de la densidad poblacional.
Pasado este periodo, se procedió a su aislamiento, observación, caracterización e
identificación y resiembra. La identificación se realizó las características
macroscópicas de las colonias y posteriormente en el microscopio. Para la
43
identificación macroscópica de las colonias se tomó en cuenta la forma, bordes,
elevación y color de las colonias de microalgas.
Se hicieron segundas y terceras resiembras de los cultivos para aislar las colonias
y provocar el desarrollo de cultivos axénicos (puros), las resiembras se realizaron
en medios de cultivo sólido y en medios de cultivo líquido, en volúmenes de 50,
100 y 200 mL, colocados en Erlenmeyer esterilizados, con tapones de gasa estéril.
Estos cultivos se mantuvieron bajo condiciones de iluminación y temperatura
constante (2000 Luxes y de 25 a 27 °C). Se lograron aislar y se mantuvieron con
siembras y resiembras de mantenimientos cultivos de los géneros
Chlamydomonas (2 especies), Chlorella y Closterium, los cuales presentaron
mayores facilidades para su cultivo y mantenimiento.
La iluminación fue constante y permanente, las 24 Horas. Se realizó mediante la
colocación de un conjunto de lámparas fluorescentes (12 unidades), con
iluminación total de 2000 Lux. La permanencia de la energía eléctrica se aseguró
con la instalación de un inversor o sistema de almacenamiento de energía de 1,5
kW, con 2 baterías de ciclo continuo de 6 Voltios.
Seguidamente, los parámetros fisicoquímicos fueron controlados en la
investigación, tomándose en horas matutinas. Estos parámetros fueron tomados
con un medidor múltiple, YSI instrument modelo 550A. Se tomaron los parámetros
de O2 disuelto (mg/L), pH, salinidad, temperatura y luz. Otras observaciones
adicionales fueron tomadas en cuenta, tales como, presencia de protozoarios u
otros microorganismos presentes, en el caso de los microorganismos, se procedía
a eliminarlos con Mebendazol.
4.6.1.1. Producción De Hidrógeno
Una vez culminó el proceso de selección de las muestras se procedió a la
segunda etapa o producción de H2. Esta etapa consistió en la producción de Hidrógeno por las algas bajo las condiciones de Azufre en forma de sulfato. El Hidrógeno producido fue recogido en tubos de ensayo invertidos. Las especies
seleccionadas son las que mostraron mejores cualidades y condiciones para la producción del Hidrógeno. Previo a la generación de Hidrógeno se midió el
contenido de Azufre en forma de sulfatos, al inicio y tras un periodo de 72 horas en el cual las algas habrían consumido todo el Azufre presente, se determinó de nuevo el contenido de Azufre para garantizar que su ausencia fuese total en el
medio de cultivo. Al llegar a ese punto las algas inician la descomposición del agua, generando O2 e H2. El Hidrógeno producido se recogió en un tubo de
ensayo que contenía una solución de KMnO4 (Permanganato de Potasio), la identificación de la presencia del Hidrógeno tuvo lugar a través del método de
44
reducción del KMnO4 a ión Manganeso II (Mn+2)48 el cual se presenta a
continuación: Se hizo burbujear el gas proveniente del cultivo de algas en un tubo de ensayo
conteniendo una solución 0,001 M de KMnO4 acidificada con HCl. El gas H2,
reductor fuerte produce la reducción de KMnO4 al ión Mn+2 (color rosado pálido),
según la siguiente reacción:
MnO4-1
(AC) + H2(g) = Mn+2(AC) + 4H2O
En el fondo de los tubos se observó un precipitado negro, debido a que parte del
MnO4-1 se reduce a Mn+4 el cual prácticamente no forma iones sino que precipita
MnO2.H2O de color negro. Se descartó que fuera un sulfuro, porque estos no
precipitan en un medio ácido.
Se logró la producción exitosa del H2 en las tres especies de algas seleccionadas.
El tiempo transcurrido entre la evidencia de ausencia de Azufre y la producción de
Hidrógeno, fue inferior a las 48 Horas para la Chlorella vulgaris, en tanto que para
la Chlamydomonas angustae fue inferior a las 72 Horas y finalmente la
Chlamydomonas reinhardtii lo generó pasadas las 72 horas. La generación del
Hidrógeno se produjo a temperaturas de 25 a 32 °C.
Entre los inconvenientes encontrados por estos investigadores, cabe destacar la
gran tendencia de estas especies a contaminarse, razón por la cual fue necesario
tomar medidas extremas de seguridad en el laboratorio, para garantizar que el
proceso pueda tener lugar sin la presencia de elementos extraños que alteran la
capacidad de generación de H2.
48
Lucena Y Arribas, Burriel, Química Analítica Cualitativa. Séptima edición. Editora Paraninfo.
Madrid 1970. p.245-246.
45
4.6.2. A Escala Piloto
4.6.2.1. Primera Alternativa De Proceso
Figura 17. Diagrama de flujo para la producción de H2 por biofotólisis
46
Este proceso consiste en biofotólisis indirecta con dos etapas, según lo muestra el
anterior diagrama de flujo.
El proceso comprende una laguna abierta para el estado I de fijación de CO2 y
fotodisociacion del agua por el PSII con la consiguiente producción de O2. En esta
etapa se generan compuestos de acumulación como carbohidratos y un aumento
de biomasa. Una etapa de concentración celular por filtración y lavado para
remover el sulfato presente, conservando los demás nutrientes. Seguido de una
etapa (estado 2) de adaptación de fase obscura y anaerobia del concentrado
celular y una posterior fermentación y producción de H2 en un fotobioreactor
tubular cerrado.
Describiendo el diagrama de flujo presentado, la entrada del proceso (línea 1),
está dada por una línea de agua de mar filtrada mediante arena y captada a través
de un pozo, más el medio de cultivo. Esta se bombea a la línea 2, en la cual se
mezclan con una parte de la línea 3 (agua de lavado del medio de filtración) y la
línea 4 de recirculación de biomasa.
La línea de recirculación tendrá los mismos compuestos en concentraciones más
bajas y sin sulfatos por el efecto de la línea de lavado en la etapa de separación
de sólidos por filtración. La mezcla resultante (línea 5) es la que ingresa a una
laguna de producción de biomasa de microalgas. La laguna puede recibir además
el ingreso de aire (línea 23) mediante un compresor hacia la línea 30, en un
proceso abierto a la atmosfera (línea 24). Dentro de la laguna existen sólidos
(células y precipitados) que se retiran por la línea 6 y gases (O2 y aire) que se
emiten libremente a la atmosfera (línea 24).
El pH de operación de la laguna debido a las condiciones de crecimiento de las
microalgas, será de carácter básico, con valores entre 8-9.
Las conversiones dentro de la laguna serán:
1. Fotodisociacion del agua producto de la activación del PSII y el consecuente
transporte de electrones.
2. Producción de O2 debido a la fotodisociacion del agua.
3. Generación del poder reductor (NADH) que es utilizado para la fijación de CO2
y la consecuente acumulación de carbohidratos que lleva a la formación de
biomasa.
La línea de salida del reactor (línea 6) se llevará hacia la línea 7, que se mezcla en
una etapa controlada con la línea 25, generando la línea 8, para entrar a una
47
etapa de concentración celular. El lavado del sulfato presente en el medio, se
realiza con agua salina sin sulfato (línea 25). La elección del sistema de
concentración celular se deberá examinar en este estudio. En esta etapa se
obtendrá un filtrado compuesto de agua de mar y agua de lavado (línea 9), la que
mediante una bomba conecta a la línea 4 hacia la recirculación. Para extraer las
microalgas del sistema se utiliza el mismo medio pero en contracorriente,
utilizando las líneas 11 y 12, generando un medio semisólido (slurry) que va por la
línea 13 hacia un estanque de fermentación obscura anaerobia.
Las conversiones dentro del estanque de almacenamiento anaerobio (reactor)
serán:
1. Expresión génica de la Hidrogenasa debido a los cambios ambientales impuestos
por el diseño, a saber: obscuridad y anaerobiosis.
2. Producción de Hidrógeno bajo estas condiciones.
La línea de salida de gas del estanque de almacenamiento (línea 28) llevará el gas
Hidrógeno producido a los correspondientes procesos de purificación final.
La salida de concentrados de microalga (línea 14), será transportada hacia la línea
15, que entra al fotobioreactor (línea 16).
Las conversiones dentro del fotobioreactor serán:
1. Utilización de la energía acumulada por las microalgas para la generación de
Hidrógeno vía Hidrogenasa.
2. Inhibición del PSII debido a la ausencia de sulfato en el medio.
3. Transporte electrónico en presencia de luz, debido a la activación del PSI,
transferencia hacia la ferredoxina y luego a la Hidrogenasa.
4. Producción de Hidrógeno.
La línea 29 transporta los gases (H2) producidos por el fotobioreactor en fase
luminosa.
La línea 18 lleva a un intercambiador de calor, luego reciclada hacia la línea 19 y
20 que se mezcla con la línea de entrada (línea 16), a una biomasa determinada,
para regular la temperatura del líquido en reacción. El exceso de biomasa se
utiliza (línea 21) para ser transportada a la línea 22 y pasar a la línea 4, para ser
utilizado como inóculo a la laguna de crecimiento de microalgas. El exceso de
biomasa (línea 26) será utilizado en un posterior tratamiento (generación de
metano por digestión anaeróbica), a la utilización de esta biomas para la
48
producción de bioproductos como el biodiesel, pigmentos, etc. El exceso de agua
de lavado de la línea 10 se descarta.
Las líneas 28 y 29 serán mezcladas para la posterior separación de los gases y
almacenamiento del Hidrógeno producido.
49
4.6.2. Segunda Alternativa Del Proceso
Figura 18. Diagrama de flujo para la generación de H2 por fotobioreactores.
50
Según el diagrama de flujo anterior, este proceso consiste en el uso de
fotobioreactores tubulares planos, que operan en dos ciclos, un ciclos en el cual
hay un crecimiento de microalgas y/o recuperación de ellas bajo condiciones
aeróbicas y en presencia de CO2, el otro ciclo comprende la producción de H2 bajo
condiciones de operación anaeróbicas y en presencia de luz. Estos dos ciclos
ocurren en el mismo fotobioreactor. Tenemos además una etapa de concentración
células para obtener el óptimo de biomasa necesaria para la producción de
Hidrogeno deseada.
La entrada del proceso (línea 1) lleva agua la cual es filtrada por un equipo de
microfiltración, la salida (línea 2) contiene agua filtrada. La línea 3 son los residuos
de la filtración. Esta agua filtrada (línea 2) ingresa a un estanque de preparación
del medio de cultivo de las microalgas. Esta agua se mezcla con sales a una
concentración controlada de ellas, principalmente en el contenido de sulfato. La
línea 17 ingresa al estanque con una solución salina concentrada más bicarbonato
de sodio. La salida del estanque de cultivo (línea 4) ingresa a la línea de
circulación de biomasa (línea 14), saliendo una mezcla de biomasa más nutrientes
(línea 5). Este proceso opera solo bajo condiciones aerobias.
El pH de operación en el fotobioreactor debido a las condiciones de crecimiento de
las microalgas tomará valores básicos, entre 8-9. La temperatura optima entorno
será alrededor de los 25 °C.
Las conversiones dentro del fotobioreactor serán:
Para el ciclo aeróbico y en presencia del CO2:
1. Generación de biomasa.
2. Acumulación de carbohidratos y proteínas.
3. Producción de O2 y consumo de CO2.
Para el ciclo anaeróbico:
1. Utilización de la energía acumulada por las microalgas para la generación de
Hidrógeno vía Hidrogenasa.
2. Inhibición del PSII debido a la ausencia de sulfato en el medio.
3. Transporte electrónico en presencia de luz, debido a la activación del PSI,
transferencia hacia la ferredoxina y luego a la Hidrogenasa.
4. Producción de Hidrógeno.
La salida del fotobioreactor (línea 6) ingresa aun gasificador/desgacificador. En
operación aeróbica hay ingreso de aire y CO2 vía a la línea 16, generando O2 que
51
va a la atmosfera vía a la línea 15. La línea 7 transporta a través de una bomba
hacia la línea 8, que pasa por un separador de corriente, hacia un sistema de
microfiltración (línea 10) para la concentración de la biomasa celular. El agua
(línea 12) es reciclada. La salida del microfiltro (línea 11) pasa por un sistema de
mezclado de corriente saliendo por la línea 13 por un intercambiador de calor y
luego hasta la línea 14. El proceso descrito en la etapa 2 anaeróbica, es similar a
la anterior, con la diferencia que no habría ingreso del medio de cultivo y el
gasificado/desgacificador solo operarían como desgacificador permitiendo la salida
del H2 producido.
52
CONCLUSIONES
Gracias a la revisión bibliográfica se logró identificar tres especies de algas verdes
con capacidad de fotoproducción de Hidrógeno en ausencia de Azufre, las cuales
son Chlorella vulgaris, Chlamydomonas angustae, Chlamydomonas reinhardtii,
todas presentes en cuerpos de agua naturales de países tropicales, lo cual facilita
su obtención y manejo.
Colombia es un país reconocido por su gran riqueza biológica y además cuenta
con grandes fuentes hidrológicas que facilitan el crecimiento y la proliferación de
muchas especies de algas verdes, entre ellas cabe destacar a la Chlorella
vulgaris, Chlamydomonas reinhardtii y la Chlamydomonas angustae, bien
conocidas por su potencial para la producción de Hidrógeno, por lo cual sería
factible aplicar el proyecto de obtención de Hidrógeno molecular a partir de algas
verdes en nuestro país.
La generación de Hidrógeno a partir de los cultivos de algas, en los métodos
consultados tuvo lugar en un intervalo de temperatura entre 25 y 32 °C y un pH
entre 8 y 9.
Los cultivos de microalgas en teoría son factibles de obtener sin un costo tan elevado, estos son recursos renovables que tienen altas tasas de crecimiento y no son utilizadas para el consumo humano directo y además son recursos con gran
potencial.
Se logró identificar un medio de cultivo que garantizó el crecimiento y desarrollo de las microalgas en el laboratorio, este fue el TAP (Tris-Acetato-Fosfato), recomendado también por la facilidad de preparación y obtención de sus
componentes.
Entre los distintos procesos de producción de Hidrógeno por vía biológica, el
proceso de fermentación oscura es el que mayor posibilidades de escalado y
aplicación industrial a corto plazo presenta, gracias a la similitud de las
condiciones de operación, frente a los procesos de digestión anaerobia
convencional.
Desde un punto de vista estrictamente económico, es difícil que en los próximos años el Hidrógeno producido biológicamente sea competitivo frente al sintetizado
53
químicamente. Y es pronto para afirmar que pueda servir como sustituto de
combustibles contaminantes como los fósiles.
Para poder generar 1 GW/h se necesitaría un área de fotobioreactores de 640.064 Km2, más los 200 Km2 de área de lagunas; bajo la tasa de producción descrita para escala de laboratorio, por lo que es necesario estimar las tasas de
producción a escala piloto.
La realización de un proceso tecnológico práctico para la producción de hidrógeno a partir de luz, agua, dióxido de carbono y algas, será la mayor fuente biológica de energía renovable y sustentable, sin emisiones de gases con efecto invernadero
ni contaminación medioambiental. Pero antes de poder cumplir esa meta, será necesario contestar un número importante de incógnitas relativas al desarrollo de
reactores biológicos; de explotación a alta escala (miles o millones de hectáreas); de modificaciones genéticas para mejorar eficiencias y de desarrollo de los conocimientos científicos y empíricos pertinentes a la fotosíntesis en condiciones
extrañas a la operación típica de estos microorganismos.
Los métodos de separación y purificación del producto final (biohidrógeno) juegan
un papel muy importante y se han utilizado tecnologías de membrana que se
basan en la permeabilidad y selectividad de los gases a separar.
Se puede concluir que el Hidrógeno se puede considerar como un combustible
estratégico para la producción de energía de forma limpia y sustentable que es de
suma importancia ya que ayudaría a combatir uno de los mayores problemas a
nivel mundial: la contaminación ambiental.
54
RECOMENDACIONES
Para la obtención de Biohidrógeno en el laboratorio, se recomienda usar la técnica
de la Metagenómica, la cual es un campo nuevo en el que se persigue obtener
secuencias del genoma de los diferentes microorganismos, algas en este caso,
que componen una comunidad, extrayendo y analizando su ADN de forma global.
La posibilidad de secuenciar directamente los genomas de algas, sin necesidad de
cultivarlos abre nuevas posibilidades que suponen un cambio de rumbo en la
Biotecnología. Este hecho es una revolución científica debido a su alto rendimiento
y el bajo coste, además permite acceder al genoma sin ver a los microorganismos
ni cultivarlos.49.
Se recomienda tomar medidas extremas en el laboratorio, para garantizar que el
proceso pueda desarrollarse sin presencia de elementos extraños que alteren la
capacidad de la generación de Hidrógeno, debido a que los cultivos de algas
tienen una alta tendencia a contaminarse.
Para estudios a escala piloto, se recomienda el uso de reactores que permitan absorción de luz y que al mismo tiempo impida el contacto con la atmosfera pues
la presencia de oxigeno inhibe la actividad de la Hidrogenasa y el hidrogeno gaseoso es en extremo volátil, además se necesita modificar genéticamente a
estas microalgas para obtener cepas con baja pigmentación, sin fotosistema y con Hidrogenasa menos sensible al oxígeno.
Para futuros estudios se recomendaría buscar información en revistas
relacionadas con el método de obtención de Hidrógeno a partir de Cianobacterias,
con el fin de comparar el rendimiento de ambos microorganismos en el mismo
proceso.
49
Metagenómica, la microbiología del futuro, recuperada el 23 de septiembre del 2012,en: http://www.agenciasinc.es/Reportajes/Metagenomica-la-microbiologia-del-futuro.
GLOSARIO
AERÓBIOS: Se denominan aerobios o aeróbicos a los organismos que pueden
vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno diatómico.
ALGAS VERDES: Este es un término utilizado para denominar a un grupo informal
de algas relacionadas estrechamente con las plantas terrestres. Muchas son
unicelulares, frecuentemente flageladas, pero otras desarrollan talos pluricelulares
poco complejos.
ANAERÓBIOS: Los organismos anaerobios o anaeróbicos son los que no utilizan
oxígeno (O2) en su metabolismo, más exactamente que el aceptor final de
electrones es otra sustancia diferente del oxígeno.
BIOMASA: La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación en materia
orgánica; esa energía la podemos recuperar por combustión directa o
transformando la materia orgánica en otros combustibles.
BIOTECNOLOGÍA: Es la tecnología basada en la biología, se usa especialmente
en farmacia, agricultura, medicina, ciencia de los alimentos y medio ambiente. Tiene un enfoque de múltiples disciplinas donde involucra varias ciencias y
disciplinas como: genética, biología, bioquímica, ingeniería, virología, física, agronomía, veterinaria, medicina química, entre otras.
CLOROFILA: La molécula de clorofila cuenta con dos regiones principalmente: un anillo de porfirina que contiene magnesio y su función principal es absorber la luz,
y una cadena hidrófoba de fitol, cuya función principal es mantener la clorofila integrada en la membrana fotosintética. Hay varios tipos de pigmentos con distinta estructura molecular. En los eucariotas, el pigmento implicado en la obtención de
la energía química es la ―clorofila a‖. La mayor parte de las células fotosintéticas contienen además, otros tipos de pigmentos, que en plantas y algas verdes es la
―clorofila b‖ y en diatomeas y en ciertos protozoarios es la ―clorofila c‖.
CLOROPLASTOS: Los cloroplastos son los orgánulos celulares que en los
organismos eucariontes fotosintetizadores se ocupan de la fotosíntesis. Están limitados por una envoltura formada por dos membranas concéntricas y contienen vesículas, los tilacoides, donde se encuentran organizados los pigmentos y demás
moléculas que convierten la energía luminosa en energía química, como la clorofila. El término cloroplastos sirve alternativamente para designar a cualquier
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plasto dedicado a la fotosíntesis, o específicamente a los plastos verdes propios
de las algas verdes y las plantas.
COMBUSTIBLE: Es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor poco a poco, en general se trata
de sustancias susceptibles de quemarse.
COMPLEJO b6f: El complejo del citocromo b6f o plastoquinol (plasticianina reductasa) es un complejo enzimático propio de los cloroplastos y de las
cianobacterias. Su misión es transferir electrones entre los fotosistemas I y II durante la fotosíntesis oxigénica; asimismo, participa en la formación del gradiente electroquímico de protones transmembrana al transferir protones del estroma al lumen de los tilacoides.
CONTAMINACIÓN: Es cualquier sustancia o forma de energía que puede ocasionar algún daño o desequilibrio, ya sea reversible o irreversible en un
ecosistema, en el ser vivo o en el medio físico. Por lo general se genera por la actividad humana.
DISOCIACIÓN: Químicamente, es un proceso general en el cual moléculas,
complejos o sales se separan en moléculas más pequeñas, iones o radicales, usualmente de manera reversible.
EFECTO INVERNADERO: Es el fenómeno por el cual, determinados gases componentes de la atmósfera, retiene la energía que el suelo terrestre refleja y
una parte de la misma se remite a la superficie terrestre. ENERGÍA RENOVABLE: Es la energía que se obtiene de fuentes naturales
virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la eólica, geotérmica, hidroeléctrica, maremotriz,
solar, undimotriz, la biomasa y los biocombustibles.
ENZIMAS: Son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sean termodinámicamente posibles: Una enzima hace que una reacción química que es energéticamente posible, pero que transcurre a una
velocidad muy baja, sea cinéticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la enzima. En estas reacciones, las enzimas
actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las
reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.
57
FERREDOXÍNA: Son unas proteínas Hierro-Azufre que intervienen en el
transporte de electrones en algunas reacciones del metabolismo. Interviene en la fotofosforilación cíclica y acíclica durante la fotosíntesis. En el proceso de
fotofosforilación no cíclica, la ferredoxina es el último aceptor de electrones y, con su oxidación, reduce a la enzima NADP+ reductasa; estos electrones proceden de la clorofila excitada mediante luz solar y la subsiguiente cadena de electrones.
FOTOSÍNTESIS: Es la conversión de energía lumínica en energía química estable
siendo el Adenosín Trifosfato (ATP) la primera molécula en la que queda almacenada la energía química. Posteriormente el ATP se usa para sintetizar moléculas orgánicas de mayor estabilidad.
FOTOSISTEMA 1 (PSI): Se localiza principalmente en las membranas de los
tilacoides no apilados, en contacto con el estroma. El centro de reacción tiene 2 moléculas de ―clorofila a‖ denominadas P700, puesto que absorbe la luz a una longitud de onda de 700 nm.
FOTOSISTEMA 2 (PSII): Se localiza en los grana. Su centro de reacción contiene
2 moléculas de ―clorofila a‖ denominadas P680, puesto que absorbe la luz a una longitud de 680 nm.
HIDROGENASA: Es una proteína perteneciente al grupo de enzimas que catalizan reacciones originalmente en los sistemas biológicos, en particular esta enzima
favorece la degradación reversible del dihidrógeno (hidrógeno molecular) transformándolo en dos átomos de hidrógeno separados cargados positivamente (ion hidrógeno) de tal manera que éste se encuentra listo para reaccionar con
cualquier otro elemento con afinidad que se le presente.
HIDRÓGENO: El Hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y
altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,007947g, el Hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante,
constituyendo aproximadamente el 73,9% de la materia visible del universo. METABOLISMO: Es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-
químicos que ocurren en una célula y en el organismo. Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a escala molecular, y permiten las
diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estímulos, etc.
MICROORGANISMOS: Son organismos dotados de individualidad que a diferencia de las plantas y los animales presentan una organización biológica
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elemental. En su mayoría son unicelulares, aunque en algunos casos se trate de
organismos compuestos por células multinucleadas, o incluso multicelulares.
MODIFICACIÓN BIOLÓGICA: Cambio que se produce en los caracteres anatómicos o fisiológicos de un ser vivo y que no se transmite por herencia.
NICOTINAMIDA ADENÍN DINUCLEÓTIDO (NAD+): Abreviado NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida, es una coenzima encontrada en células
vivas y compuesta por un dinucleótido, ya que está formado por dos nucleótidos unidos a través sus grupos fosfatos, siendo uno de ellos una base de adenina y el otro de nicotinamida. Su función principal es el intercambio de electrones e
Hidrogeniones en la producción de energía de todas las células.
NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEÓTIDO FOSFATO: Abreviada NADP+ en su forma oxidada y NADPH+ en su forma reducida, es una coenzima que interviene
en numerosas vías anabólicas. Su estructura química contiene la vitamina B3 y es además análogo de la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+).
NITROGENASA: Es una enzima utilizada por las bacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico para romper el nitrógeno molecular (N2) y combinarlo con Hidrógeno
para formar amoníaco (NH3). La nitrogenasa es, en realidad, un complejo catalítico que consiste de dos unidades proteicas diferentes conocidas como dinitrogenasa y
reductasa de dinitrogenasa. La reducción biológica de nitrógeno molecular es llevada a cabo únicamente por microorganismos procariotas.
NUTRIENTES: Es un producto químico procedente del exterior de la célula y que esta necesita para realizar sus funciones virales. Este es transformado en
constituyente celular, o bien es degradado para la obtención de otras moléculas o energía.
ORGANISMOS ANAERÓBIOS: Son los que no utilizan el oxígeno en su metabolismo, exactamente el aceptor final de electrones es otra sustancia
diferente del oxígeno. PARADIGMA: Significa ejemplo o modelo, en todo el ámbito científico, religioso u
otro contexto epistemológico, el término paradigma puede indicar el concepto de esquema formal de organización, y ser utilizado como sinónimo de marco teórico o
conjunto de teorías. El término tiene también un significado en el terreno de la psicología refiriéndose a aceptaciones de ideas, pensamientos, creencias incorporadas generalmente durante nuestra primera etapa de vida que se aceptan
como verdaderas o falsas sin ponerlas a prueba de un nuevo análisis.
PLASTICIANINA (PC): Es una proteína cúprica involucrada en la cadena de transporte de electrones. Es una proteína monomérica con un peso molecular de alrededor de 10,5 KDa y 99 aminoácidos que se encuentra en la mayoría de las
59
plantas. En la fotosíntesis, la plasticianina transfiere electrones entre el citocromo f
del complejo del citocromo b6f del fotosistema II y P700+ del fotosistema I. Ambos son proteínas de membrana con residuos expuestos hacia el lumen de la
membrana tilacoidal de los cloroplastos. El citocromo f actúa como un donante de electrones, mientras que el P700+ acepta electrones de la plasticianina reducida.
PLASTOQUINONA (PQ): Es una molécula de quinona que participa en la cadena de transporte de electrones en las reacciones de fase luminosa de la fotosíntesis.
La plastoquinona es reducida aceptando dos protones (H+) de la matriz del estroma de los cloroplastos, tomando dos electrones del fotosistema II, formando plastoquinol. Luego transporta los protones al lumen de los discos tilacoides,
mientras que los electrones continúan a través de la cadena de transporte de electrones hacia el complejo del citocromo b6f.
PROCEDIMIENTO: Un procedimiento es un conjunto de acciones u operaciones que tienen que realizarse de la misma forma, para obtener siempre el mismo
resultado bajo las mismas circunstancias.
PROTEÍNA: Las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos. Por sus propiedades físico-químicas, las proteínas se pueden clasificar en proteínas simples (holoproteidos), que por hidrólisis dan solo
aminoácidos o sus derivados; proteínas conjugadas (heteroproteidos), que por hidrólisis dan aminoácidos acompañados de sustancias diversas, y proteínas
derivadas, sustancias formadas por desnaturalización y desdoblamiento de las anteriores.
SÍNTESIS QUÍMICA: Es el proceso usado para obtener compuestos químicos a partir de sustancias más simples. Su objetivo principal, además de obtener nuevas
sustancias químicas, es el desarrollo de métodos más económicos y eficientes para sintetizar sustancias naturales ya conocidas.
TILACOIDES: Los tilacoides son sacos aplanados que forman parte de la estructura de la membrana interna del cloroplasto; sitio de las reacciones
captadoras de luz de la fotosíntesis y de la fotofosforilación; las pilas de tilacoides forman colectivamente las granas. Las membranas de los tilacoides contienen sustancias como los pigmentos fotosintéticos (clorofila, carotenoides, xantófilas) y
distintos lípidos; proteínas de la cadena de transporte de electrones fotosintética y enzimas, como la ATP-sintetasa.
60
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