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Fotofermentación

La fotofermentación es la conversión fermentativa de sustrato orgánico en biohidrógeno que se manifiesta por un grupo diverso de bacterias fotosintéticas mediante una serie de r...

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La fotofermentación es la conversión fermentativa de sustrato orgánico en biohidrógeno que se manifiesta por un grupo diverso de bacterias fotosintéticas mediante una serie de reacciones bioquímicas que involucran tres pasos similares a la conversión anaeróbica . La fotofermentación se diferencia de la fermentación oscura porque solo se lleva a cabo en presencia de luz .

Por ejemplo, se puede emplear la fotofermentación con Rhodobacter sphaeroides SH2C (o muchas otras bacterias púrpuras no azufradas [1] ) para convertir ácidos grasos moleculares pequeños en hidrógeno [2] y otros productos.

[3] Representa el proceso general de fotofermentación.

Vías dependientes de la luz

Bacterias fototrópicas

Las bacterias fototrópicas producen gas hidrógeno a través de la fotofermentación, donde el hidrógeno proviene de compuestos orgánicos. [4]

do 6 yo 12 Oh 6 + 6 yo 2 Oh → yo en 6 CO 2 + 12 yo 2 {\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6H2O ->[{hv}] 6CO2 + 12H2}}} [4]

Productores fotolíticos

Los productores fotolíticos son similares a los fotótrofos, pero obtienen hidrógeno de las moléculas de agua que se descomponen cuando el organismo interactúa con la luz. [4] Los productores fotolíticos son algas y ciertas bacterias fotosintéticas. [4]

12 yo 2 Oh → yo en 12 yo 2 + 6 Oh 2 {\displaystyle {\ce {12H2O ->[{hv}] 12H2 + 6O2}}} (algas) [4]

CO + yo 2 Oh → yo en yo 2 + CO 2 {\displaystyle {\ce {CO + H2O ->[{hv}] H2 + CO2}}} (bacterias fotolíticas) [4]

Producción de energía sostenible

La fotofermentación a través de bacterias púrpuras no productoras de azufre se ha explorado como un método para la producción de biocombustible. [5] El producto de fermentación natural de estas bacterias, el gas hidrógeno, se puede aprovechar como fuente de energía de gas natural. [6] [7] La ​​fotofermentación a través de algas en lugar de bacterias se utiliza para la producción de bioetanol, entre otras alternativas de combustible líquido. [8]

Principios básicos de un biorreactor. El biorreactor de fotofermentación no incluiría una vía de aire.

Mecanismo

Las bacterias y su fuente de energía se mantienen en una cámara de biorreactor impermeable al aire y libre de oxígeno. [7] La ​​temperatura adecuada para las especies bacterianas se mantiene en el biorreactor. [7] Las bacterias se sustentan con una dieta de carbohidratos que consiste en moléculas de sacáridos simples . [9] Los carbohidratos generalmente provienen de desechos agrícolas o forestales. [9]

Variaciones

Representación de algas (especie no especificada) en un biorreactor adecuado para la producción de bioetanol.

Además de las formas silvestres de Rhodopseudomonas palustris , los científicos también han utilizado formas modificadas genéticamente para producir hidrógeno. [5] Otras exploraciones incluyen la expansión del sistema de biorreactor para albergar una combinación de bacterias, algas o cianobacterias . [7] [9] La producción de etanol la realiza el alga Chlamydomonas reinhardtii , entre otras especies, en ambientes cíclicos de luz y oscuridad. [8] El ciclo de ambientes claros y oscuros también se ha explorado con bacterias para la producción de hidrógeno, aumentando el rendimiento de hidrógeno. [10]

Ventajas

Las bacterias se alimentan típicamente con desechos agrícolas descompuestos o cultivos no deseados, como lechuga de agua o melaza de remolacha azucarera. [11] [5] La gran abundancia de dichos desechos asegura una fuente de alimento estable para las bacterias y utiliza de manera productiva los desechos producidos por el hombre. [5] En comparación con la fermentación oscura , la fotofermentación produce más hidrógeno por reacción y evita los productos finales ácidos de la fermentación oscura. [12]

Limitaciones

Las principales limitaciones de la fotofermentación como fuente de energía sostenible se derivan de los requisitos precisos para mantener las bacterias en el biorreactor. [7] Los investigadores han encontrado difícil mantener una temperatura constante para las bacterias dentro del biorreactor. [7] Además, el medio de crecimiento de las bacterias debe rotarse y renovarse sin introducir aire en el sistema del biorreactor, lo que complica la ya costosa instalación del biorreactor. [7] [9]

Véase también

Referencias

  1. ^ Redwood MD, Paterson-Beedle M, Macaskie LE (junio de 2009). "Integración de estrategias de producción de biohidrógeno en luz y oscuridad: hacia la economía del hidrógeno" (PDF) . Reseñas en Ciencias Ambientales y Biotecnología . 8 (2): 149–185. doi :10.1007/s11157-008-9144-9. S2CID  83562378.
  2. ^ Tao Y, Chen Y, Wu Y, He Y, Zhou Z (febrero de 2007). "Alto rendimiento de hidrógeno a partir de un proceso de dos pasos de fermentación oscura y fotofermentación de sacarosa". Revista internacional de energía del hidrógeno . 32 (2): 200–6. doi :10.1016/j.ijhydene.2006.06.034.
  3. ^ Gabrielyan, Lilit; Sargsyan, Harutyun; Trchounian, Armen (4 de septiembre de 2015). "Nuevas propiedades de la producción de biohidrógeno fotofermentativo por la bacteria púrpura Rhodobacter sphaeroides: efectos de los protonóforos e inhibidores de las enzimas responsables". Microbial Cell Factories . 14 (1): 131. doi : 10.1186/s12934-015-0324-3 . ISSN  1475-2859. PMC 4558839 . PMID  26337489. 
  4. ^ abcdef Ghimire A, Frunzo L, Pirozzi F, Trably E, Escudie R, Lens PN, Esposito G (abril de 2015). "Una revisión sobre la producción de biohidrógeno por fermentación oscura a partir de biomasa orgánica: parámetros del proceso y uso de subproductos" (PDF) . Applied Energy . 144 : 73–95. doi :10.1016/j.apenergy.2015.01.045.
  5. ^ abcd Corneli E, Adessi A, Olguín EJ, Ragaglini G, García-López DA, De Philippis R (diciembre de 2017). "Biotransformación de lechuga de agua (Pistia stratiotes) en biohidrógeno por Rhodopseudomonas palustris". Revista de Microbiología Aplicada . 123 (6): 1438-1446. doi :10.1111/jam.13599. hdl : 2434/837874 . PMID  28972701. S2CID  4312887.
  6. ^ Laurinavichene T, Tekucheva D, Laurinavichius K, Tsygankov A (marzo de 2018). "Utilización de aguas residuales de destilería para la producción de hidrógeno en procesos de una y dos etapas que implican fotofermentación". Tecnología enzimática y microbiana . 110 : 1–7. doi :10.1016/j.enzmictec.2017.11.009. PMID  29310850.
  7. ^ abcdefg Uyar B (septiembre de 2016). "Diseño de biorreactor para la producción de hidrógeno fotofermentativo". Ingeniería de bioprocesos y biosistemas . 39 (9): 1331–40. doi :10.1007/s00449-016-1614-9. PMID  27142376. S2CID  31956368.
  8. ^ ab Costa RL, Oliveira TV, Ferreira J, Cardoso VL, Batista FR (abril de 2015). "Tecnología prospectiva para la producción de bioetanol a partir de fotofermentación". Bioresource Technology . 181 : 330–7. doi :10.1016/j.biortech.2015.01.090. PMID  25678298.
  9. ^ abcd Zhang Q, Wang Y, Zhang Z, Lee DJ, Zhou X, Jing Y, Ge X, Jiang D, Hu J, He C (abril de 2017). "Producción de hidrógeno fotofermentativo a partir de residuos de cultivos: una mini revisión". Tecnología de recursos biológicos . 229 : 222–230. doi :10.1016/j.biortech.2017.01.008. PMID  28108074.
  10. ^ Chen CY, Yang MH, Yeh KL, Liu CH, Chang JS (septiembre de 2008). "Producción de biohidrógeno mediante procesos secuenciales de fermentación oscura y fotofermentación en dos etapas". Revista internacional de energía del hidrógeno . 33 (18): 4755–4762. doi :10.1016/j.ijhydene.2008.06.055.
  11. ^ Keskin T, Hallenbeck PC (mayo de 2012). "Producción de hidrógeno a partir de desechos de la industria azucarera mediante fotofermentación de una sola etapa". Bioresource Technology . 112 : 131–6. doi :10.1016/j.biortech.2012.02.077. PMID  22420990.
  12. ^ Chandrasekhar K, Lee YJ, Lee DW (abril de 2015). "Producción de biohidrógeno: estrategias para mejorar la eficiencia del proceso a través de rutas microbianas". Revista Internacional de Ciencias Moleculares . 16 (4): 8266–93. doi : 10.3390/ijms16048266 . PMC 4425080 . PMID  25874756. 
  • Fotofermentación
  • Mejora de la producción de hidrógeno fototrópico mediante fermentación asistida por portadores sólidos e iluminación interna con fibra óptica
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