Biohidrógeno – Proyectos NREL

El biohidrógeno se define como “hidrógeno producido biológicamente”, habitualmente a partir de algas, bacterias y arqueas. El biohidrógeno es un biocombustible con gran potencial que puede obtenerse mediante cultivo específico o a partir de desechos orgánicos. En el NREL se están llevando a cabo varios proyectos dirigidos a una producción sostenible de este tipo de hidrogeno biológico.

 Autor: Gabriel Morales, Universidad Rey Juan Carlos

National Renewable Energy Laboratory (NREL) (http://www.nrel.gov/)

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL), con sede en Golden, Colorado, es el principal centro de investigación de los EE.UU. en temas de energías renovables y de eficiencia energética. Se trata de una institución pública, dependiente del gobierno y financiada por el Departamento de Energía (DOE). Entre sus campos de investigación más activos se encuentran: la bioenergía, la eficiencia energética en edificios, la química y nanociencia, las ciencias computacionales, la energía solar de concentración, la integración de sistemas energéticos, la energía geotérmica, las redes eléctricas avanzadas, las células de hidrógeno y de combustible, la ciencia de materiales, la energía solar fotovoltaica, la electrificación del transporte, la energía hidráulica, y la energía eólica. Está constituido por 3 centros nacionales más otros 3 centros de investigación asociados, tiene abiertos 13 programas de investigación, con una financiación acumulada de más de 350 millones de dólares, su actividad genera más de 1000 publicaciones al año, mantiene más de 800 patentes, con más de 2700 personas entre empleados e investigadores visitantes y post-doctorales.

Campus del NREL en Golden, Colorado.

Proyectos sobre biohidrógeno en el NREL

En el departamento de bioenergía del NREL se han desarrollado dos plataformas renovables para la producción sostenible de hidrógeno. Una de dichas plataformas se basa en una fermentación microbiana de azúcares (es decir, biomasa lignocelulósica) mediante la cual se pueden producir grandes cantidades de hidrógeno, conocida como fermentación oscura. Consiste en la obtención de hidrógeno a partir de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos en ausencia de luz por la acción combinada de un grupo de bacterias anaerobias. Es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos microbianos que crecen en la oscuridad, principalmente del género Enterobacter, Bacillus y Clostridium, los cuáles actúan de manera coordinada y secuencial, para descomponer la materia orgánica en ausencia de oxigeno libre. Los monosacáridos son la principal fuente de carbono, particularmente la glucosa seguida de la xilosa, el almidón, la celulosa y otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos. En ambientes anóxicos, los protones pueden actuar como un aceptor de electrones en presencia de la enzima hidrogenasa. En estas condiciones las bacterias anaerobias, sin requerimientos de energía lumínica, fermentan sustratos ricos en carbohidratos. En este proceso interactúan diversas clases de microorganismos, los cuales convierten la materia orgánica en otros compuestos, incluido el hidrógeno, y en nuevas células bacterianas.

La otra plataforma de producción sostenible de hidrógeno se basa en las algas verdes y en la capacidad innata de las cianobacterias para catalizar la producción de hidrógeno, ligándola directamente a las rutas fotosintéticas. Las algas (específicamente la Chlamydomonas reinhardtii y la Chlamydomonas moewusii) producen hidrógeno bajo ciertas condiciones. Cuando dichas algas son privadas de azufre dejan de producir oxígeno mediante fotosíntesis, y producen hidrógeno.

La clave en ambos procesos son unas metalo-enzimas, las hidrogenasas, que son enzimas que catalizan de modo reversible la oxidación de hidrógeno; y sus mecanismos catalíticos subyacentes también están siendo objeto de investigación actualmente en el NREL.

 

Proyecto de Producción Fermentativa de Hidrógeno

La biomasa lignocelulósica es una fuente atractiva para la producción de hidrógeno mediante fermentación oscura debido a su abundancia y al elevado contenido en azúcares (aprox. 40% de celulosa, y aprox. 30% de hemicelulosa). El objetivo principal del proyecto del NREL en este ámbito es conseguir una producción de hidrógeno más económica cambiando el tipo de materia prima de biomasa de elevado coste de los procesos tradicionales e incrementando el bajo rendimiento molar de hidrógeno (mol H2/mol hexosa).

Para disminuir los costes de la biomasa, el NREL ha desarrollado la bacteria degradadora de celulosa Clostridium thermocellumpara convertir directamente la celulosa/hemicelulosa en hidrógeno sin depender de un costoso cóctel de enzimas hidrolíticas en una configuración de bioproceso integrado. Para mejorar el rendimiento molar de hidrógeno, se ha desarrollado una caja de herramientas (“toolkit”) genética, una tecnología que facilita la manipulación de las rutas metabólicas de C. thermocellum para dirigir un mayor flujo celular hacia la producción de hidrógeno. Además, se puede producir más hidrógeno a partir de la corriente residual de la fermentación (acetato, lactato, formiato, etanol) usando una célula de electrólisis microbiana (MEC). Esta integración fermentación oscura-MEC, desarrollada en colaboración con la Penn State University, ha permitido alcanzar un rendimiento molar a hidrógeno combinado de 10, el mayor publicado hasta la fecha.

 

Proyecto de Producción Fotobiológica de Hidrógeno

Empleando la energía del sol y los electrones del agua, tanto las algas verdes Chlamydomonas reinhardtii como las cianobacteriasSynechocystis sp. PCC 6803 son microorganismos fotosintéticos modelo para la producción de hidrógeno renovable. Una importante barrera técnica para la producción sostenible de hidrógeno fotolítico es la sensibilidad de las hidrogenasas de las algas y las cianobacterias frente al oxígeno molecular (O2), subproducto inherente de la fotosíntesis oxigénica. En una estrategia para abordar dicha barrera, en el NREL se ha transformado en ambos hospedantes una hidrogenasa tolerante a O2 procedente de Clostridium acetobutylicum (una hidrogenasa-FeFe en las algas verdes) o de Rubrivivax gelatinosus (una hidrogenasa-NiFe en las cianobacterias), diseñadas para producir de forma continua hidrógeno durante el día. En una segunda estrategia, el grupo del NREL ha restringido el nutriente azufre de las algas verdes para atenuar la generación de O2 a fin de alcanzar una producción de hidrógeno simultánea durante la fotosíntesis. La sobre-expresión de las enzimas hidrogenasas y su integración en las rutas fotosintéticas del hospedante son áreas prioritarias en este campo de investigación.

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