Producción fotobiológica de hidrógeno a partir de microalgas

BELIGNI, MV

Congreso; Hyfusen 2013; 2013

Charla Oral: Las microalgas son candidatos promisorios para la producción de hidrógeno (H2) debido a que producen este gas de manera natural utilizando solamente la luz solar como recurso principal y nutrientes sencillos y bajo costo en su medio de cultivo. La producción de H2 en algas se encuentra ligada a la etapa dependiente de la luz de la fotosíntesis, que ocurre en los tilacoides de organelas especializadas denominadas cloroplastos. En esta etapa, los fotones son absorbidos por moléculas de clorofila y otros pigmentos accesorios, que se encuentran asociados con proteínas y otros cofactores en estructuras tridimensionales llamadas fotosistemas (PS), ensamblados en las membranas tilacoidales. En los PS, existen moléculas de clorofila especializadas denominadas antena, que transmiten los fotones absorbidos entre ellas hasta que finalmente lo transfieren a otra clorofila especializada en lo que se denomina centro de reacción, donde ocurre la fotólisis del agua. Las clorofilas foto-excitadas del centro de reacción comienzan la transferencia de electrones a lo largo de una serie de moléculas transportadoras que también están asociadas a los tilacoides. Finalmente, los electrones son aceptados por la forma oxidada de una molécula portadora de poder reductor, el NADP+, para formar NADPH, uno de los productos de la etapa luminosa de la fotosíntesis. La síntesis de H2 es llevada a cabo por una enzima denominada Hidrogenasa, que se encuentra en el cloroplasto en proximidad a los tilacoides y es capaz de aceptar electrones del transportador ferredoxina, evitando la generación de NADPH. En condiciones normales, esto ocurre sólo por unos minutos, ya que la Hidrogenasa es altamente inhibida por el oxígeno (O2), un producto de la fotólisis del H2O. Esta inhibición ha sido exitosamente atenuada mediante el cultivo de las células en medios deficientes en sulfato, que suprime a los PS de manera que la producción de O2 fotosintética es igualada por el consumo de O2 mitocondrial, generando anaerobiosis. También se han generado mutantes que resuelven el problema desde diversos aspectos. Por ejemplo, existen mutantes que no internalizan el sulfato al cloroplasto, o que no permiten que el O2 ingrese tan fácilmente al canal de ingreso de gases de la Hidrogenasa, liberando parcialmente la inhibición.Otro desafío de la producción de H2 por fotolisis directa esta dado por la baja conversión fotoquímica de la fotosíntesis. La diferencia entre la transferencia de fotones por las clorofilas antena y el transporte de electrones por los transportadores activados hace que la fotosíntesis se sature a un máximo teórico del 10% de luz solar plena. En un cultivo, esto implica que las células que están en la superficie del reactor absorban fotones en exceso con respecto a lo que pueden convertir en producto (H2); el resto se disipa como calor y esto evita que las capas más profundas del cultivo sean productivas. En las mutantes llamadas tla, los complejos antena poseen números reducidos de clorofila y esto hace que las células absorban menos fotones improductivos. En un cultivo, esto permite que las capas más profundas reciban fotones y que el cultivo como población sea más productivo. Tomando toda esta información en cuenta, se ha calculado que el máximo teórico de producción de H2 por fotólisis directa es de 20 g m-2 día-1. Mediante modelado se ha determinado que los fotobiorreactores ideales consisten en cilindros delgados, de un máximo de 10 cm de profundidad y que pueden incluso utilizarse biorreactores más delgados si se trabaja con cultivos densos, sin pérdida neta de productividad. En modelados económicos, se ha determinado que los cuellos de botella de este proceso, una vez optimizada la cepa de microalgas, son principalmente el costo capital del fotobiorreactor y las etapas de compresión y almacenamiento del H2. Todos estos factores deberán ser optimizados mediante el trabajo conjunto de equipos multi-disciplinarios para convertir esta tecnología promisoria en realidad.