Biohidrógeno

El biohidrógeno es H2 que se produce biológicamente. Esta tecnología despierta un gran interés porque el H2 es un combustible limpio y se puede producir fácilmente a partir de ciertos tipos de biomasa, incluidos los desechos biológicos. Además, algunos microorganismos fotosintéticos son capaces de producir H2 directamente a partir de la descomposición del agua utilizando la luz como fuente de energía.

Además de las prometedoras posibilidades de producción de hidrógeno biológico, esta tecnología se enfrenta a numerosos desafíos. Los primeros son los inherentes al H2, como el almacenamiento y el transporte de un gas explosivo no condensable. Además, los organismos productores de hidrógeno se envenenan con el O2 y los rendimientos de H2 suelen ser bajos.

Las principales reacciones que conducen a la formación de hidrógeno implican la oxidación de sustratos para obtener electrones. Luego, estos electrones se transfieren a protones libres para formar hidrógeno molecular. Esta reacción de reducción de protones normalmente la realiza una familia de enzimas conocidas como hidrogenasas.

En los organismos heterotróficos, los electrones se producen durante la fermentación de los azúcares. El gas hidrógeno se produce en muchos tipos de fermentación como una forma de regenerar NAD+ a partir de NADH. Los electrones se transfieren a la ferredoxina o pueden ser aceptados directamente del NADH por una hidrogenasa, produciendo H2. Debido a esto, la mayoría de las reacciones comienzan con glucosa, que se convierte en ácido acético.

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 2 H2O - titulada 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2}}}$

Una reacción relacionada produce formato en lugar de dióxido de carbono:

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 2 H2O - titulada 2 CH3COOH + 2 HCOOH + 2 H2}}}$

Estas reacciones son exergónicas en 216 y 209 kcal/mol, respectivamente.

Se ha estimado que el 99% de todos los organismos utilizan o producen dihidrógeno (H2). La mayoría de estas especies son microbios y su capacidad para utilizar o producir H2 como metabolito surge de la expresión de metaloenzimas H2 conocidas como hidrogenasas. Las enzimas dentro de esta familia ampliamente diversa se suelen subclasificar en tres tipos diferentes según el contenido de metal en el sitio activo: [FeFe]-hidrogenasas (hierro-hierro), [NiFe]-hidrogenasas (níquel-hierro) hidrogenasas e [Fe]-hidrogenasas (solo hierro). Muchos organismos expresan estas enzimas. Ejemplos notables son los miembros de los géneros Clostridium, Desulfovibrio, Ralstonia o el patógeno Helicobacter, siendo la mayoría de ellos anaerobios estrictos o microorganismos facultativos. Otros microorganismos como las algas verdes también expresan hidrogenasas altamente activas, como es el caso de los miembros del género Chlamydomonas.

Debido a la extrema diversidad de enzimas hidrogenasas, los esfuerzos actuales se centran en la búsqueda de nuevas enzimas con características mejoradas, así como en la ingeniería de hidrogenasas ya caracterizadas para conferirles características más deseables.

La producción biológica de hidrógeno con algas es un método de división fotobiológica del agua que se realiza en un fotobiorreactor cerrado y se basa en la producción de hidrógeno como combustible solar por parte de las algas. Las algas producen hidrógeno en determinadas condiciones. En el año 2000 se descubrió que si se priva a las algas C. reinhardtii de azufre, pasarán de la producción de oxígeno, como en la fotosíntesis normal, a la producción de hidrógeno.

Las algas verdes expresan hidrogenasas [FeFe], siendo algunas de ellas consideradas las hidrogenasas más eficientes con tasas de recambio superiores a 10⁴ s⁻¹. Esta notable eficiencia catalítica se ve, sin embargo, ensombrecida por su extrema sensibilidad al oxígeno, siendo irreversiblemente inactivada por O_2. Cuando las células se ven privadas de azufre, la evolución del oxígeno se detiene debido al fotodaño del fotosistema II, en este estado las células comienzan a consumir O₂ y proporcionan el ambiente anaeróbico ideal para que las hidrogenasas [FeFe] nativas catalicen la producción de H₂.

Bioreactores basados en células algas que pueden producir hidrógeno

La fotosíntesis en las cianobacterias y las algas verdes divide el agua en iones de hidrógeno y electrones. Los electrones son transportados por ferredoxinas. Las Fe-Fe-hidrogenasas (enzimas) los combinan para formar gas hidrógeno. En Chlamydomonas reinhardtii, el fotosistema II produce mediante conversión directa de la luz solar el 80% de los electrones que terminan en gas hidrógeno.

En 2020, los científicos informaron sobre el desarrollo de una microemulsión basada en células de algas para reactores microbianos esferoides multicelulares capaces de producir hidrógeno junto con oxígeno o CO2 mediante la fotosíntesis a la luz del día bajo el aire. Se demostró que encerrar los microrreactores con bacterias sinérgicas aumenta los niveles de producción de hidrógeno mediante la reducción de las concentraciones de O2.

El tamaño de la antena de clorofila (CHL) en algas verdes se minimiza o se trunca para maximizar la eficiencia de conversión solar fotobiológica y la producción de H ₂ . Se ha demostrado que la proteína de recolección de luz de recolección de luz II de la proteína de recolección de luz LHCBM9 promueve la disipación de energía de luz eficiente. El tamaño de la antena CHL truncada minimiza la absorción y la disipación derrochadora de la luz solar por las células individuales, lo que resulta en una mejor eficiencia de utilización de la luz y una mayor eficiencia fotosintética cuando el alga verde se cultiva como cultivo de masas en biorreactores.

Con los informes actuales de biohidrógeno a base de algas, se necesitaría alrededor de 25,000 kilómetros cuadrados de cultivo de algas para producir biohidrógeno equivalente a la energía proporcionada por la gasolina solo en los EE. UU. Esta área representa aproximadamente el 10% del área dedicada al cultivo de soja en los Estados Unidos.

• Restricción de la producción de hidrógeno fotosintético por acumulación de un gradiente protón.
• Inhibición competitiva de la producción de hidrógeno fotosintético por dióxido de carbono.
• Requisitos para la fijación de bicarbonatos en fotosistema II (PSII) para una actividad fotosintética eficiente.
• drenaje competitivo de electrones por oxígeno en producción de hidrógeno algal.
• La economía debe alcanzar un precio competitivo a otras fuentes de energía y la economía depende de varios parámetros.
• Un obstáculo técnico importante es la eficiencia para convertir la energía solar en energía química almacenada en hidrógeno molecular.

intentos están en progreso para resolver estos problemas a través de la bioingeniería.

La producción de hidrógeno biológico también se observa en cianobacterias fijadoras de nitrógeno. Estos microorganismos pueden crecer formando filamentos. En condiciones de nitrógeno limitado, algunas células pueden especializarse y formar heterocistos, lo que garantiza un espacio intracelular anaeróbico para aliviar la fijación de N ₂ por la enzima nitrogenasa expresada también en el interior.

En condiciones de fijación de nitrógeno, la enzima nitrogenasa acepta electrones y consume ATP para romper el enlace de dinitrógeno triple y reducirlo al amoníaco. Durante el ciclo catalítico de la enzima nitrógena, también se produce hidrógeno molecular.

${\displaystyle {\ce {N2 + 8 H+ + 8NAD(P)H + 16 ATP-cons 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD(P)+}}}$

Sin embargo, dado que la producción de H ₂ es una pérdida importante de energía para las células, la mayoría de las cianobacterias que fijan nitrógeno también cuentan con al menos una hidrogenasa de absorción. La absorción de hidrogenasas exhibe un sesgo catalítico hacia la oxidación del oxígeno, por lo tanto, puede asimilar el H ₂ producido como una forma de recuperar parte de la energía invertida durante el proceso de fijación de nitrógeno.

En 1933, Marjory Stephenson y su estudiante Stickland informaron que las suspensiones celulares catalizaron la reducción del azul de metileno con H ₂ . Seis años después, Hans Gaffron observó que la alga fotosintética verde Chlamydomonas reinhardtii , a veces producía hidrógeno. A fines de la década de 1990, Anastasios Melis descubrió que la privación de azufre induce el alga a cambiar de la producción de oxígeno (fotosíntesis normal) a la producción de hidrógeno. Descubrió que la enzima responsable de esta reacción es la hidrogenasa, pero que la hidrogenasa perdió esta función en presencia de oxígeno. Melis también descubrió que agotar la cantidad de azufre disponible para las algas interrumpió su flujo interno de oxígeno, permitiendo a la hidrogenasa un entorno en el que puede reaccionar, lo que hace que las algas produzcan hidrógeno. Chlamydomonas moewusii también es una cepa prometedora para la producción de hidrógeno.

Competición de biohidrógeno, al menos para aplicaciones comerciales, hay muchos procesos industriales maduros. La reforma de vapor del gas natural, a veces denominado Reforma de metano de vapor (SMR), es el método más común para producir hidrógeno a granel a aproximadamente el 95% de la producción mundial.

${\displaystyle {\ce {\cH4 + H2O } {\cH2}}}$

• Algacultura – Acuicultura que implica la agricultura de algas
• Producción de hidrógeno – Producción industrial de hidrógeno molecular
• Hidrogenasa – clase de enzimas que catalizan la oxidación reversible del hidrógeno molecularPáginas que muestran descripciones de wikidata como retroceso
• Fotohidrógeno – Hidrógeno producido por luz
• Calendario de las tecnologías de hidrógeno

• DOE - Prospectus for Biological Production of Hydrogen
• FAO
• Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures Archived 2013-10-19 at the Wayback Machine
• DIY Algae/Hydrogen Bioreactor 2004
• ALGAL H2-PRODUCCIÓN