Archive for the ‘Biomass’ Category
La sustantibilidad es un tema crítico para la industria de bioenergía a nivel internacional. Muchos gobiernos y mercados ahora consideran que cuantitativa, robusta e independientemente verifican (o certifican) credenciales de sustentabilidad son vitales para ordenar la industria de la bioenergia para que se expanda globalmente. Esto ya ha sido trasladado como políticas de gobierno a varios países. Estas políticas limitarán el acceso al merado y el soporte del gobierno es sólo para aquellos combustibles los cuales cumplan específicos criterios de sustentabilidad.
La necesidad de reducir los gases de efecto invernadero como bien el futuro de la seguridad del petróleo puede, sin embargo, proveer criterios para el crecimiento de la industria de la bioenergía.
Hay una rápida expansión internacional de la industria de los biocombustibles.
Se observa una clara demostración que el sector de bioenergía puede producir productos sustentables, como bien lo hacen con significante contribución en algunos países como Australia, a tal punto que hay gobiernos que están inviertiendo en bioenergía como una plausible alternativa energética.
El global incremento en población; asociado al desarrollo de recursos; incremento de cambio climático; y la tendencia hacia la seguridad de energía, agua y alimento se han ubicado como criterios importantes sobre la definición e implementación de conceptos de sustentabilidad.
Se ha dado una explosión en la actividad en la arena internacional en la aplicación de los conceptos de sustentabilidad en biocombustibles desde el 2005, particularmente en la producción y/o uso de biocombustibles en USA, Brasil y en la Unión Europea se está posicionando rápidamente.
La Comisión Europea en propuesta de Enero 2008 sobre la promoción del uso de la energía desde fuentes renovables ha establecido la necesidad de promover las energías renovables dado que ello contribuye a la mitigación del cambio climático, desarrollo sustentable, seguridad de suministro y el desarrollo de una industria basada en el conocimiento que cree trabajo, crecimiento económico, competitividad y desarrollo rural y regional.
Se han dado una serie de pasos en el desarrollo internacional de la sustentabilidad de la bioenergía y biocombustibles. Inicialmente se ha dado a nivel nacional e internacional reglas para condiciones adecuadas para inversores. A través de varias iniciativas finacieras, estos han estimulado un rápido crecimiento en la producción de biocombustibles. Sin embargo se han dado algunas serias preguntas sobre la verdadera sustentabilidad, como lo es la competición entre tierra y alimento) que han hecho que se vaya normalizando este nuevo y rápido crecimiento de esta industria.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
E-mail: jmirez@uni.edu.pe
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Entre los factores ambientales de importancia vital para el funcionamiento de los digestores figuran: la temperatura, la concentoración de sólidos, la concentración de ácidos volátiles, la formación de espuma, la concentración de nutrientes esenciales, las substancias tóxicas y el pH.
Las metanobacterias sólo podrán desarrollarse cuando está tan avanzada la fermentación de los substratos primarios como almidón, celulosa o péptidos por acción de las bacterias anaerobias facultativas (por ejemplo Escherichia, Enterobacter, Klebsiella o Bacillus spp.), que se haya consumido todo el oxígeno disuelto, de manera que el potencial redoz se sitúe en un valor suficientemente bajo, menor que -200 mV. Además, el pH no debe disminuir demasiado debido a los ácidos como el acético o el butírico producidos por los Clostridium, para no inhibir el crecimiento de los metanógenos sensibles.
Comúnmente la concentración de ácidos grasos volátiles no supera los 2 – 3 g/L, expresados como ácido acético. Si se sobrepasa este nivel, la formación de metano puede disminuir mientras que continúa la producción ácida y, la digestión cesará en dos o tres días debido a que los metanógenos no pueden utilizar los ácidos a la misma velocidad con que se producen. El pH óptimo para la digestión está entre 7.0 y 7.2, aunque el rango satisfactorio va de 6.6 a 7.6. La digestión comienza a inhibirse a pH 6.5.
Una vez que se ha estabilizado un digestor el lodo está bien amortiguado, es decir, la concentración de protones no varía aún cuando se añaden cantidades relativamente grandes de ácido o álcali. Si esta capacidad de amortiguación se destruye y el pH disminuye, el digestor se «agria» o sea emite olores ácidos desagradables y cesa la metanogénesis. El CO2 es soluble en agua y reacciona con los iones hidróxilo para formar bicarbonato. La concentración de HCO3 es afectada por la temperatura, el pH y la presencia de otros materiales en la fase líquida y las condiciones que favorecen su producción a su vez aumentan el porcentaje de metano en la fase gaseosa.
La gama de temperatura para la digestión anaeróbica varía entre 10 y 60°C. Sin embargo las dos zonas óptimas son la mesófila (30 – 40 °C) y la termófila (45 – 60°C). Casi todos los digestores funcionan dentro de los límites de temperaturas mesofílicas y la diegstión óptima se obtiene a unos 35°C. La velocidad de digestión a temperaturas superiores a 45°C es mayor que a temperaturas más bajas. Sin embargo, dentro de esta gama de temperaturas, las bacterias son sumamente sensibles a los cambios ambientales y el mantenimiento de estas temperaturas elevadas resulta costoso y a veces diíficil.
Por ejemplo, en un digestor donde los residuos permanecen 12 días, la producción de gas por unidad de sólidos volátiles totales añadidos diariamente es 20% mayor a 45°C que a 35°C. La digestión no sufre por un aumento de temperatura de unos cuantos grados. Pero una disminución repentina de sólo unos pocos grados puede detener la producción de metano sin afectar a las bacterias productoras de ácidos y esto conduce a una acumulación excesiva de ácidos provocando la falla del digestor.
En los climas cálidos, donde no existen temperaturas de congelación, los digestores pueden funcionar sin añadir calor pero hay que aumentar en cambio el tiempo de retención de los residuos en el digestor. La regulación de la temperatura puede lograrse haciendo circular agua caliente a través del contenido del tanque. La regulación de la temperatura en los digestores grandes por medio de termointercambiadores exige un equipo bueno y seguro y un mantenimiento continuo.
Las causas principales de una excesiva producción de ácidos volátiles son la elevada velocidad de carga, una baja temperatura y la formación de espuma. Ésta constituye una zona que favorece a los acetógenos. La sedimentación de los materiales fibrosos y la espuma se puede evitar mezclando el contenido del digestor, lo que también contribuye al proceso ya que establece condiciones uniformes.
La presencia de substancias tóxicas puede impedir el desarrollo bacteriano. Los antibióticos empleados en las explotaciones pecuarias llegan a los excrementos pero, como ocurre también con los antihelmínticos, no suelen afectar mayormente la digestión debido a la dilución con materiales no tóxicos. Las concentraciones de nitrógeno amoniacal deben ser inferiores a 1.5 g/L. Si bien es un amortiguador, su aumento puede llegar a impedir el proceso. También resultan tóxicas las sales de zinc, níquel y cobre, aunque este último puede ser necesario en ínfimas cantidades. Las sales de los elementos alcalinos y alcalino-térreos pueden ser estimulantes o inhibitorias según la concentración. Para una digestión óptima, todos los elementos esenciales en el metabolismo microbiano tienen que estar presenes en forma fácil de asimilar por las bacterias.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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El contenido en metano puede ser reducido debido a la disminución de la actividad de las bacterias metanogénicas como resultado de la acumulación de ácidos por variaciones en la composición de la carga o la temperatura, o debido al envenenamiento por contaminantes tales como biocidas, fenoles o metales pesados. También se reduce la eficiencia por la disminución de la demanda química de oxígeno (DQO) de los residuos tratados. La DQO es la cantidad total de oxígeno ( en mg) necesaria para oxidar completamente las substancias orgánicas e inorgánicas contenidas en un litro de suspensión. La estabilidad del pH es fundamental y puede ser controlada por adición de álcali así como por el control de la composición y la velocidad de la alimentación.
Tanto el azufre orgánico (presente en algunos aminoácidos) y el inorgánico (presente en el yeso o generado por la neutralización con ácido sulfúrico de residuos como las melazas tratadas con cal) puede ser reducido a H2S, un gas muy tóxico y altamente reactivo con los metales tales como el hierro y cobre originando la corrosión. Esta reactividad hace que su contenido sea muy bajo en el gas de los rellenos sanitarios. Por otra parte el amonio liberado, por ejemplo durante la desaminación de las proteínas, permanece en solución.
El cuadro sigueinte resume la composición promedio del biogas según la fuente. El valor calorífico varía entre 17 – 34 MJ/m^3 según el contenido de metano.
Los volúmenes de gas producido se suelen expresar como m^3 biogas / m^3 digestor o como m^3 biogas/kg DQO y difieren según el tipo de residuo, la concentración de sólidos volátiles (SV), la relación de carga, el tiempo de retención y el diseño del digestor. En general la producción oscila entre 1 – 5 m^3 biogas / m^3 digestor, o dicho de otra manera entre 0.3 – 0.5 m^3/ kg SV.
La condensación es con frecuencia un problema debido a que el digestor está generalmente más tibio que las cañerias por donde pasa. El agua también puede ser arrastrada como un aerosol en los sistemas agitados. En los pequeños sistemas es esencial una trampa de agua y puntos de drenaje de la misma. En los grandes sistemas puede ser necesario el enfriamiento para quitar el agua. El hidrógeno que suele hallarse en algunos rellenos sanitarios jóvenes, es un intermediario en el metabolismo anaeróbico. También algunas bacterias anaeróbicas pueden producir trazas de CO. La presencia de nitrógeno y/u oxígeno puede indicar una entrada accidental de aire y esto constituye un grave peligro debido al riesgo explosivos. En los rellenos el oxígeno del aire atrapado es consumido por los microorganismos facultativos dejando el nitrógeno residual.
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Los rumiantes son mamíferos herbívoros que poseen un órgano especial, el rumen, en cuyo interior se lleva a cabo la digestión de la celulosa y de otros polisacáridos vegetales mediante la actividad de poblaciones microbianas especiales pues estos animales carecen de las enzinas necesarias para digerir la celulosa.
El rumen tiene un tamaño relativamente grande: 100 – 150 litros en una vaca, 6 litros en una oveja. Se encuentra a una temperatura y una acidez constantes (39°C, pH 6.5). La naturaleza anóxica del rumen es un factor significativo para su funcionamiento. El estudio de la actividad microbiana en el mismo permite comprender el funcionamiento de los artefactos metanogénicos.
El material vegetal llega al rumen, o panza, mezclado con la saliva que contiene bicarbonato, y allí es sometido a un movimiento rotatorio durante el cual tiene lugar la fermentación microbiana. Esta acción peristáltica produce la suspensión del material celulósico lo que facilita la adherencia microbiana.
El alimento permanece en el rumen de nueve a doce horas. El fluido ruminal contiene gran cantidad de células microbianas, entre 10^10 y 10^11 bacterías por mL. Las bacterias y los hongos celulolíticos actuán produciendo el disacárido celobiosa y las unidades de glucosa. La glucosa liberada experimenta una fermentación bacteriana en la que se forman ácidos grasos volátiles, principalmente acético, propiónico y butírico, y los gases dióxido de carbono y metano. Los ácidos grasos atraviesan la pared del rumen y pasan a la sangre. Desde allí van a los tejidos donde son utilizados como la principal fuente de energía. Además los microorganismos del rumen sintetizan aminoácidos y vitaminas escenciales para el animal.
La masa de alimento pasa gradualmente a la redecilla donde se forman unas porciones llamadas rumias que regresan a la boca y son masticadas otra vez. Cuando esta masa sólida queda bien fragmentada, es engullida de nuevo, pero esta vez el material pasa directamente al libro y termina en el cuajar, que es un órgano más bien parecido al estómago pues las condiciones son ácidas, donde se inicia un proceso digestivo similar al de los otros animales no rumiantes que continúa en el intestino. Muchas de las células microbianas formadas en el rumen son digeridas y constituyen la principal fuente de proteínas y vitaminas del animal, dado que la hierba es un alimento deficiente en proteínas.
Las reacciones químicas que ocurren en el rumen requieren la actividad combinada de una variedad de microorganismos entre los que predominan las bacterias anerobias estrictas, dado que el potencial de reducción es de -0.4 voltios. La concentración de O2 a ese potencial es 10^(-22) M.
Fibrobacter succionogenes y Ruminococcus albus son las bacterias celulolíticas más abundantes del rumen, y también degradan xilano. Fibrobacter posee una celulasa periplásmica y permanece adherido a la ibrilla de celulosa mientras la digiere. Ruminococcus produce una celulasa que es secretada al rumen. Las bacterias Ruminobacter amylophilus y Succinomonas amylolytica que hidrolizan al almidón se encuentran en minoría, así como Lachnospira multiparus que digiere pectinas. Los productos de fermentación de estas y otras bacterias son utililizados por otros microorganismos. El succinato se convierte en propionato y CO2, y el lactato es transformado en acetato y otros ácidos por Megasphera y Selenomonas.
El H2 producido en el rumen durante los procesos fermentativos nunca se acumulan, ya que es utilizado rápidamente por los metanógenos (Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile) para reducir CO2 a CH4. Otra fuente de H2 y CO2 para los metanógenos es el formiato. La composición media de los gases acumulados en el rumen es aproximadamente 65% CO2 y 35% CH4, y se expulsan al exterior por los eructos del animal. El acetato no llega a convertirse en metano dentro del rumen debido a que el tiempo de retención es demasiado corto para que puedan desarrollarse los metanógenos acetotróficos. Además las bacterias sintróficas degradadoras de ácidos grasos no abundan en el rumen dado que el tiempo de retención es corto y estos ácidos atraviesan la pared hacia la sangre del rumiante.
El contenido ruminal posee aproximadamente 10^6 protozoos por mL, principalmente ciliados. Muchos son anaerobios obligados, una característica poco frecuente entre los organismos eucarióticos. Los protozoos comen bacterias y ejercen algún control sobre densidad de las mismas en el rumen. También hay hongos anaeróbicos que alternan una forma flagelada y otra inmóvil. Degradan celulosa, hemicelulosas, pectinas y parcialmente lignina que es el compuesto que refuerza las paredes celulares de las plantas leñosas.
Unas de las características principales del rumen es su constancia en distintas partes del mundo, en proporciones que varían según el tipo de alimentación. El cambio brusco de pastura a cereales conduce a un desiquilibrio en la composición microbiana que causa enfermedad o aún la muerte del animal, por el crecimiento explosivo de Streptococcus bovis que hidroliza almidón produciendo abundante ácido láctico y acidificando el rumen. Esta acidosis causa la eliminación de la microbiota normal.
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Como la mayoría de las organismos clorofílicos, las microalgas poseen la facultad de llevar a cabo el proceso de la fotosíntesis utilizando agua como donador de electrones. Las microalgas presentan gran diversidad de tamaños, formas y estructuras, caracterizándose sus representantes más primitivos, las cianobacterias, por ser procariotas.
Por lo que se refiere a la conversión de la energía luminosa en energía química almacenada, las microalgas constituyen organismos fotosintéticos extraordinariamente eficientes, que alcanzan rendimientos de hasta el 5% y productividades de biomasa de 50 a 200 toneladas (peso seco) por hectárea y año, valores no sólo notablemente superiores a los de los otros cultivos agrícolas convencionales sino de los más elevados que se conocen.
En general, las microalgas se desarrollan naturalmente en medios acuáticos, tanto de agua dulces como saladas, por lo que su cultivo no compite, en principio, con la mayoría de los cultivos agrícolas convencionales. Las microalgas pueden cubrir total o permanentemente las superficies de las zonas destinadas a su cultivo, ya que, en las áreas donde no se presentan cambios climáticos drásticos, su crecimiento puede mantenerse a lo largo de todo el año, habiendo además cepas que pueden tolerar condiciones ambientales adversas para la mayoría de los organismos.
Entre los diversos grupos de microalgas utilizables se destacan especialmente las cianobacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico, ya que, en contraste con el resto de organismos fotosintéticos, no requieren compuestos nitrogenados para su desarrollo. Muchas cianobacterias filamentosas están provistas de heterocistos que pueden utilizar el N2 presente en el aire para síntesis de su material celular.
Las posibilidades del empreo de las microalgas son muy diversas. La biomasa de las algas se puede emplear con fines energéticas, en cuyo caso la digestión anaeróbica para la producción de biogás con alto contenido de metano parece ser el proceso más adecuado, debido a que permite la utilización de materiales con alto contenido de agua.
Otra posibilidad para el aprovechamiento de la biomasa de algas es su utilización como materia prima para la extracción de compuestos, dado que en el interior de las mismas se puede almacenar cantidades considerables de algunas substancias de especial interés, por ejemplo, el alga verde Botryococcus braunii, cuyo contenido en hidrocarburos ligeros representa hasta el 75% del peso seco del organismo. También en estos casos, una vez extraído el compuesto de interés, el resto de la biomasa puede utilizarse para otros propósitos, tal como la producción de metano por digestión anaeróbica.
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Las células no pueden emplear o almacenar la energía química directamente, sino que la tienen que convertir en energía química, más fácil de utilizar. Las reacciones bioenergéticas pueden explicarse en términos de transferencia de electrones entre moléculas.
Existen dos tipos de fotosíntesis, una llamada oxigénica que es llevada a cabo por las plantas, algas y cianobacterias y el agente reductor es el agua; otra anoxigénica que es cumplida por bacterias donde diversos compuestos orgánicos u inorgánicos actúan como donadores de electrones, según la especie. Estas substancias relativamente infrecuentes determinaron que las bacterias fotosintéticas anaeróbicas se desarrollen solamente en fuentes sulfúreas, fondos lacustres y ambientes similares.
La fotosíntesis se inicia con la captación de la luz por los pigmentos fotosintéticos accesorios y su conversión en energía electrónica por los pigmentos clorofilicos de los centros de reacción. Luego la energía electrónica se transforma en energía química y queda almacenada como tal. En la etapa siguiente, de naturaleza no fotoquímica aunque la luz es necesaria para activar determinadas enzimas, la energía química almacenada se utiliza para la reducción del dióxido de carbono y la consiguiente síntesis de carbohidratos.
La unidad fotosintética básica está constituida por moléculas de clorofilas y otros pigmentos que actúan como antenas y por clorofila a especializada. Existen distintos tipos de clorofila pero todos tienen un anillo tetrapirrólico (porfirina) con un átomo de magnesio en el centro.
Las clorofilas a, b y d poseen una larga cadena hidrófoba de fitol que les permite anclarse en las membranas biológicas, en tanto que la clorofila carece de este resto hidrocarbonado. Las clorofilas tienen un mínimo de absorción allí donde es mayor la intensidad de la luz solar, o sea en el verde y el verde azulado. El espectro de absorción de la clorofila a es modificado por la vecindad de otras moléculas, sobre todo la de proteínas. El espectro in vitro difiere del in vivo.
Las distintas formas de clorofila actúan en su mayoría como pigmentos antena, si bien existen moléculas especializadas de clorofila a, ligeramente modificadas, que intervienen como pigmentos fotoactivos de plantas y algas: P680 en el fotosistema II, P700 en el fotosistema I. En las bacterias se encuentran bacterioclorofilas de tipo a y b, entre ellas las moléculas especializadas de bacterioclorofila a en los centros de reacción: P840 en las bacterias verdes y P870 en las purpúreas.
Los otros pigmentos que forman parte de las antenas fotosintéticas realizan exclusivamente funciones de fotorrecepción. Entre ellos se encuentran las feofitinas (clorofilas sin magnesio) y ficobilinas que son derivados tetrapirrólicos que son derivados tetrapirrólicos de cadena cerrada abierta, además de los carotenoides que son isoprenoides poliénicos hidrofóbicos (carotenos y xantófilas). No todos los pigmentos están en cualquier organismo fotosintetico, por ejemplo las ficobilinas son propias de algas y cianobacterias.
Los pigmentos fotosintéticos se encuentran organizados, estructural y funcionalmente, en las membranas biológicas que en las bacterias verdes y purpúreas se disponen en estructuras conocidas como clorosomas y cromatóforos, respectivamente. En los organismos que realizan la fotosíntesis oxigénica, los pigmentos están localizados en unas vesículas membranosas aplastadas y cerradas llamadas tilacoides. La disposición celular de los tilacoides en cianobacterias es variable, pero en las algas y las plantas superiores se distribuyen de manera ordenada formando pilas (granas), que a su vez se conectan entre sí por medio de lamelas, dentro del estroma de los orgánulos citoplasmáticos denominados cloroplastos.
Estos pigmentos forman asociaciones muy estrechas con proteínas o polipéptidos en las membranas tilacoidales, lso que sirven de matriz estabilizadora.
Varios iones orgánicos e inorgánicos (manganeso, cloruro, calcio, hierro, bicarbonato) están implicados en la
catálisis de la transferencia de electrones, en el mantenimiento de la estructura proteica o en la regulación de la actividad de los fotosistemas. Se encuentran tres tipos de complejos de la clorofila: uno es el complejo colector de
luz donde se integran la mayoría de las antenas de clorofilas y pigmentos accesorios; los otros son los fotosistemas I y II donde tiene lugar estrictamente la fotosíntesis. Ambos fotosistemas se conectan funcionalmente entre sí mediante una serie de transportadores de electrones y por el complejo de citocromos hidrofóbicos b6f, asimismo embebido en las membranas tilacoidales.
Los pigmentos de la antena se excitan por los fotones absorbidos y transfieren la energía de excitación a otras moléculas vecinas en algunos picosegundos. De esta forma se canaliza la energía luminosa hacia la clorofila especializada del centro de reacción, que realmente realiza la conversión de la energía luminosa en energía química. La clorofila a del centro de reacción se excita por la energía absorbida y aumenta extraordinariamente su capacidad reductora o de donación de electrones. De hecho, el potencial estndar del par redox correspondiente adopta valores mucho más negativos tras la excitación de la clorofila, pasando de +1,0 V en la obscuridad a -0,8 V en la luz en el caso de P680, y de +0,5 V a -1,3 V en el de P700.
La molécula de clorofila absorbe un fotón y pasa a un estado excitado con mayor energía. La absorción de la luz azul excita a un nivel superior que el alcanzado con la luz roja. La clorofila es muy inestable en el estado excitado de mayor energía y rápidamente cede algo de su energía al ambiente en forma de calor. Entra luego en un estado
energético inferior donde se mantiene algunos nanosegundos y puede iniciar el proceso fotoquímico mediante reacciones extremadamente rápidas. Alternativamente puede emitir un fotón en un proceso de fluorescencia dentro de la región roja del espectro, o retornar al estado inicial convirtiendo la energía de excitación en calor o transferirla a otra molécula de pigmento.
La primera etapa del proceso de conversión y almacenamiento de la energía radiante es común a los distintos tipos de organismos fotosintéticos, estando promovida por las moléculas clorofílicas especializadas de los centros de reacción, cada una de las cuales se encuentra estrechamente asociada a un aceptor y a un donador primario de electrones. La molécula de clorofila se excita por la luz y cede uno de sus electrones más externos al aceptor, quedando la clorofina oxidada y el aceptor reducido. La clorofila oxidada actúa, por su parte, como un fuerte agente oxidante que capta un electrón del donador. Éste se oxida y la clorofila recupera su estado original. El donador oxidado y el aceptor reducido recuperan su estado original al interaccionar con los sistemas redox vecinos del aparato fotosintético. De esta manera se transfieren los electrones impulsados por la luz de un
compuesto a otro a través de las denominadas cadenas de transporte fotosintético de electrones. Los componentes de estas cadenas suelen ser proteínas de origen hemínico (citocromos), átomos de cobre (plastocianina) o centros sulfoférricos (ferredoxina), así como feofitinas y quinonas, variando de unos organismos a otros en función del tipo de fotosíntesis que llevan a cabo.
En el caso de las plantas superiores, con la cadena fotosintética de transporte de electrones actúan en serie dos fotosistemas, cada uno con un centro clorofílico de reacción que promueve el salto del electrón en contra del gradiente, a expensas de la energía fotónica. En la fotosíntesis oxigénica, que implica la reducción de la ferredoxina
con electrones procedentes del agua, la absorción de un fotón por el fotosistema I promueve la excitación de un electrón del P700 y su transferencia posterior a la ferredoxina a través de una serie de centros sulfoférricos que forman parte del propio fotosistema I. El déficit de electrones así creado se equilibra, tras la correspondiente
excitación de P680, por el aporte contínuo de electrones desde el fotosistema II
Debido a la intervención del complejo de citocromos b6f, anclado en la membrana del tilacoide, que se reduce por las quinonas de la membrana y se oxida por la plastocianina libre en el interior del tilacoide, los electrones pueden fluir con rapidez (en milisegundos) desde el fotosistema II al fotosistema I. Finalmente el agua, que libera oxígeno al oxidarse, suministra los electrones necesarios para cubrir el déficit del fotosistema II
La molécula de agua se oxida: 2H2O –> O2 + 4e + 4H+. La energía necesaria para la fotólisis, a pH 7, es \delta Go’= 479 kJ por cada 2 moles de H2O. Los fotones de luz roja de 700 nm son los de más larga longitud de onda que pueden promover el bombeo de electrones en fotosíntesis. Se necesitan 2 fotones por electrón, es decir un total de 8 fotones (170 kJ/mol) para fotolizar 2 moléculas de agua y liberar una molécula de oxígeno. En las bacterias fotosintéticas
el flujo de electrones es promovido por un único fotosistema.
Estrechamente acoplada al flujo de protones se encuentra la síntesis de adenosíntrifosfato (ATP) a partir de adenosín-difosfato y ortofosfato (Pi): ADP + Pi –> ATP + H2O; que al estar asimismo promovida por la luz se denomina fotofosforilación. El fotosistema II produce la descomposición del agua en la membrana del tilacoide y la
liberación de protones en el lumen del mismo. La plastoquinona reducida y la plastocianina transfieren electrones al complejo de citocromos y al fotosistema I, respectivamente. El fotosistema I reduce el NADP a NADPH en el estroma del
cloroplasto, mediante la acción de la ferredoxina y una flavoproteína. Los protones también son transportados al lumen por acción del complejo de citocromos y luego difunden hacia la bomba de protones acoplada a la enzima ATP-sintasa que usa el gradiente de energía electroquímica para sintetizar ATP en el estroma del cloroplasto.
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El dióxido de carbono del aire, presente a una concentración del 0.03% (300 mmol por mol de aire) es la única fuente de carbono para las plantas. Los vegetales lo tienen que captar e incorporar a sus tejidos. El paso de este gas a las plantas tiene lugar por difusión desde el medio en el que está más concentrado, el aire, hacia el medio menos concentrado, el líquido intracelular, donde se disuelve. La biomasa vegetal seca tiene un contenido en carbono bastante estable, que varía entre 45% al 50% según las especies, y que constituye el esqueleto de todas las substancias orgánicas de las células. Esta variación es de hecho, mucho menor que la de otros elementos como nitrógeno, fósforo y potasio, cuyos valores pueden variar en un factor cinco según la especie y el abono del suelo.
Así la vegetación es por sí misma una reserva de carbono de igual importancia que la reserva atmosférica: 2000 Gt (500 Gt en la biomasa y 1500 Gt en el suelo) frente a 700 Gt en la atmósfera.
La intensidad del impacto humano sobre la atmósfera proviene del hecho que esta reserva es muy pequeña y fácilmente modificable. Una duplicación del nivel de CO2 conducirá a un aumento medio del 40% del contenido de la materia seca en las plantas C3 y del 15% en las C4.
El nivel de CO2 se estabiliza por el equilibrio de los intercambios que se producen entre la atmósfera, el océano y las rocas carbonatadas (calcáreas, etc.). El ritmo de intercambio de carbono entre la atmósfera y el océano, y la atmósfera y la biósfera terrestre son cada uno del orden de 70 Gt de carbono al año. Una molécula de CO2 permanece en la atmósfera durante unos siete años, unos ochocientos años en el océano y en promedio unos cuarenta años en la biósfera terrestre.
La principal fuente antrópica de gas carbónico proviene del consumo de combustibles fósiles. Este ritmo de emisión es tan elevado, entre 5 y 6 Gt al año que la biósfera no puede compensar este vertido. Otra fuente importante de CO2 se debe a la destrucción de los bosques a gran escala: unas 1.7 Gt/año.
La biósfera terrestre actúa tanto a nivel de fuente de carbono como de trampa de carbono. Se estima que el aumento de gas carbónico atmosférico induce a un aumento de la productividad vegetal global, al estimular la fotosíntesis y la biósfera, pudiendo absorber alrededor del 20% (1.1 Gt C/año) de la emisión total de CO2, o sea un valor inferior al liberado por la desforestación. Los factores limitantes del crecimiento vegetal son la intensidad de la luz, la eficiencia en la utilización del agua y la disponibilidad de sales minerales en el suelo.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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La energía solar que llega a la biósfera (es de aproximadalemente 3 x 10^24 J/año) es captada y convertida en biomasa por los ecosistemas terrestre y acuático con una eficiencia del 0.1% ( aprox. 3 x 10^21 J/año) almacedándose en 200 Gt (peso seco) de material vegetal por año a expensas de la energía solar, pues aprox 30 GJ corresponde a la síntesis de aprox. 2 t de biomasa.
Cuando se compara la producción anual de biomasa con las reservas energéticas ya almacenadas en la propia biomasa y en los combustibles fósiles, resulta que dicha producción anual de biomasa es sólo un orden de magnitud mejor que las mismas.
Por otra parte, la energía solar que fija el reino vegetal es su conjunto es 10 veces mayor que la energía consumida como tal por la humanidad y unas 200 veces mayor que la energía consumida como alimento.
Aunque el sistema acuático cubre aprox. 2/3 de la superficie de la Tierra, produce aprox. la misma cantidad de biomasa que el terrestre, debido a que éste presenta una eficiencia que al menos duplica la del marino.
Teniendo en cuenta que la Tierra, con un diámetro del orden de 10^4 km, presenta una superficie de unas 5×10^10 ha, se puede calcular que el rendimiento medio de biomasa seca es de 4 t/ha.año, correspondiendo al menos 6 t/ha.año al ecosistema terrestre y 3 t/ha.año al acuático. Cabe mencionar que el rendimiento que puede alcanzar los bosques es entre 10 y 40 t/ha.año y el de las algas entre 50 y 200 t/ha.año.
El fitoplancton o plancton que puede fotosintetizar, está constituido en su gran mayoría por microorganismos (seres pequeños que se miden en micrómetros) con un diámetro no menor de 20 micrómetros, principalmente: diatomeas, cocolitofóridos y dinoflagelados, aunque también se encuentran cianobacterias.
Debido a la distancia que la separa del Sol, la Tierra recibe aprox 10^(-9) de la energía irradiada por el mismo. Sólo parte de la energía solar que llega a las altas capas de la atmósfera terrestre alcanza la biósfera, unos 10^17 W, pues el resto es absorbido o se dispersa y refleja haciendo que nuestro planeta aparezca brillante a los ojos de un obsevador externo. Esta cantidad de energía que llega es unas diez mil veces la que actualmente consume la humanidad.
La fotobiología comprende una franja estrechísima de 300 a 1100 nanómetros, del a que dependen la visión, las taxias, los tropismos, la dormición, la floración, la maduración, y sobre todo la fotosíntesis que es la conversión biológica de la energía solar en energía química. Estos procesos no pueden tener lugar en la región ultravioleta o la del infrarrojo lejano, porque las radiaciones de estas longitudes de onda no son apropiadas para las reacciones fotobiológicas.
Los límites energéticos de la fotobiología se sitúan más o menos, entre 100 y 400 kJ/mol de fotones, siendo las radiaciones de longitud de onda inferior a 300 nm, es decir, con una energía superior a 400 kJ/mol, incompatibles con la vida porque pueden romper enlaces en las macromoléculas biológicas, tales como ácidos nucleicos y proteínas.
La distribución del espectro solar en la biósfera comprende un 51% de radiación infrarroja, un 40% visible y un 9% ultravioleta. El 83% de esa radiación solar cae dentro de los márgenes de la fotobiología, con un máximo hacia 575 nm (aprox. 200 kJ/mol).
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El sorgo es una especie anual de origen tropical, de la familia de las gramíneas. Sus variedades para obtención de grano o forrajeras son conocidos de tiempo atrás. Entre las variedades suceptibles de cultivos con fines de producción de biomasa lignocelulósica destaca el sorgo para fibra.
El sorgo para fibra, con las limitaciones de temperatura y necesidad de riesgos, es de los cultivos más promotedores en cuento a la producción de biomasa. Los aprovechamientos energéticos de este cultivo son dos: la producción del grano para la obtención de biocarburantes, y el resto de la planta (que puede crecer hasta los 4 metros de altura) para usos térmicos o eléctricos. Los rendimientos son muy variables en función de la zona de cultivo; en el sur de España se han obtenido datos muy positivos en cuanto a la producción de materia seca en condiciones de cultivo exigentes (fertibilidad, disponibilidad de agua y temperaturas suaves). Existen empresas e instituciones españolas realizando experiencias cuyos resultados publicados estiman la productividad de 80 t/ha. Los resultados indican que se podría obtener por hectárea 10 kg de azúcar y 17 t de materia seca. Para obtener buenas producciones hacen falta suelos de mediana a buena calidad, siembra para obtener de 150 000 a 200 000 plantas/ha y riegos de 7000 m3/ha y año.
El cardo es una especie vivaz muy bien adaptada al clima mediterráneo de veranos secos y calurosos. Cuando el cultivo está establecido puede alcanzar producciones totales de biomasa superiores a 18 – 20 t de materia seca por ha y año.
El cultivo de cardo se debe diferenciar entre el primer año, que es el de implantación, donde el desarrollo es lento ya que procede de semilla, de los años sucesivos en los que la planta rebrota de las yemas remanentes del cuello de la raíz y forma rápidamente una roseta de hojas basales gracias a la reservas acumuladas en la raíz. Se puede decir que el cultivo de cardo entra en producción a partir del segundo año, pudiendo permanecer en el mismo terreno una cantidad de años ilimitada siempre que se lleven a cabo los ínfimos cuidados necesarios para su mantenimiento.
La producción del cardo oscila sobre las 18 toneladas de materia seca al año y hectárea, más dos toneladas de semila oleaginosa, que también tiene mercado.
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Los eucaliptos son considerados de turno corto (de 3 a 5 años).
Hay muchas especies adaptadas a España como cultivos energéticos para la producción de biocombustibles sólidos, por ser aptas a rotaciones cortas. Generalmente se han cultivado en zonas de escasa altitud y sin inviernos fríos.
El cultivo tradicional de eucalipto no ha necesitado el uso de regadío, pero resulta interesante, a la par que eficaz, el riego con aguas contaminadas, actuando así como filtro verde en algunas zonas de la Península Ibérica. En zonas con temperaturas altas y suelos de regadío pobres (zona meridional de la Penínusla), no favorables para el cultivo de chopo, la mejor alternativa es el eucalipto.
El eucalipto necesita precipitaciones importantes para producir un buen crecimiento. En España se pueden considerar como especies fiables en lo referente a su cultivo y su aplicación energética: E. Rostrata y E. Globulus, debido a su tradicional aprovechamiento para celulosa.
Una posibilidad más que interesante es el cultivo de eucalipto en zonas agrícolas marginales o en zonas deforestadas, con el fin de producir biomasa.
En algunos países como Marruecos, se dedica la primera corta a celulosa y los rebrotes posteriores a leña para la producción de energía, aprovechando también los tocones para acabar con la vida productiva del cultivo.
Las especie de eucalipto más aconsejables para el aprovechamiento energético en España son:
- E. globulus, en zonas agrícolas de secano abandonadas y praderas del Norte o bien del Suroeste. Esta especie requiere entre 500 – 1500 mm anuales de precipitación y soporta una estación seca de hasta tres meses, no rigurosa, temperaturas mínimas absolutas superiores a -5°C, y una altitud de 0 – 350 metros sobre el nivel del mar, coincidiendo con las zonas costeras de Galicia y la Cornisa Cantábrica.
- E. rostrata, en altitudes de 0 – 600 metros, con precipitaciones de 225 – 640 mm, en 40 – 150 días, resistente a la sequía, y soporta heladas de hasta 13 días consecutivos, pero no nevadas. En cuanto a suelos es menos exigente que Eucalyptus globulus, prefiriendo los sueltos y arenosos y tolerando ácidos.
- E. cladocalix, en zonas agrícolas de secano abandonadas o regadíos de mala calidad. Requiere más de 500 mm de precipitación media anual, temperaturas mínimas superiores a 7°C y una altitud inferior a 600 metros por encima del nivel del mar, coincidiendo con las zonas costeras del Suroeste andaluz.
Ésta última produce más en el rebrote y da una madera más densa y de mejor calidad para quemar, resistiendo mejor la sequía.
El eucalipto es un árbol con un buen potencial para producción de energía. Las diferentes aplicaciones que tienen sus maderas, desde estacas, leñas, celulosa, energía, etc. es una de las claves para su implante como una fuente continua de aprovisionamiento y suministro de biomasa para la generación de energía.
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Los cultivos energéticos, como cualquier otro, deben sacar partido de la naturaleza pero en ningún caso obviar sus leyes. Por tanto, sería recomendable tener en cuenta lo siguiente:
- Que se adapten a las condiciones edafo-climáticas del lugar donde se implanten: las plantas dan las productividades mayores en aquellos lugares que reúnen condiciones que les sean más favorables.
- Que tengan altos niveles de productividad en biomasa con bajos costes de producción: las explotaciones que requieren mucha atención cultural son complicadas y caras de explotar.
- Que sean rentables, económicamente hablando, para el agricultor.
- Que no tengan, en lo posible, un gran aprovechamiento alimentario en paralelo, con el objetivo de garantizar el suministro, sin una subida de precios que perjudique a la larga tanto a la explotación agrícola en sí como a las industrias alimentaria y energética.
- Que tengan un fácil manejo y que requieran técnicas y maquinarias lo más conocidas y comunes entre los agricultores.
- Que presente balance energético positivo. Es decir que se extraiga de ellos más energía de la que se invierte en el cultivo y su puesta en planta de energía.
- Que la biomasa producida se adecue a los fines para los que va a serutilizada: como materia prima para pelets, para producción térmica, para generación o cogeneración de calor y electricidad.
- Que no contribuyan a degradar el medio ambiente (por ejemplo, empobrecer el suelo) y permitan la fácil recuperación de la tierra, para implantar posteriormente otros cultivos en algunos casos. Cuando sea posible, que la rotación sea factible y beneficiosa en todas las etapas.
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Con mucha espectativa y agrado he visitado a don Jaime Villa, quien me invitó a ver sus instalaciones y aplicaciones hechas en biomasa. Don Jaime es un emprendedor en biomasa, con buenas ideas e iniciativas. Busca por ahora tener el apoyo de financiamiento para realizar sus ideas, pero de instituciones serias porque ya me contó la de muchas idas y vueltas de ofrecimientos y nada de nada. Su planta piloto de biomasa que posee funciona.
Es quizás conocido que iniciativas de mejora tecnológica y de innovación en Perú son difíciles de que se desarrollen, muchas veces porque no hay incentivo y lo otro, que también son poco valorados… la solución, salir fuera del Perú o lucharla indesmayablemente hasta conseguir algo algo. Pues bien, por favor, pasen la voz de convocatorias a concursos de proyectos para que se pueda postular a fondos de financiamiento y estas ideas innovadoras se implementen con gran beneficio a la población, el medio ambiente y las PYME’s.
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Hola, en la presente figura vemos que el principal elemento es el gasificador que recibe diferentes elementos a gasificar, como biomasa, residuos, etc. Hay residuos sólidos del gasificador y también el mismo gas que por un proceso de limpieza, primero de eliminación de particulas y de retiro de azufre, para luego quedar como un gas listo a disponer como combustible. Sin embargo, en el proceso, se puede obtener productos como el hidrógeno que se destina a la producción de electricidad en células de combustible y también como combustible siendo quemado en las cámaras de las turbinas de gas para la generación de electricidad. Los gases de combustión de las turbinas de gas pasa por un recuperador de calor o generador de vapor con destino a una turbina de vapor conectado mecánicamente a un generador para la producción de electricidad.
Sin embargo el gasificador también necesita de aire, oxígeno y vapor. Estos son suministrados desde diferentes elementos de la configuración mostrada en la figura. La finalidad es aprovechar todos los recursos energéticos para incrementar la eficiencia del sistema.
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Se observa que en el 2003 se tiene principalmente generación por combustibles fósiles encabezados por el petroleo, carbón, gas; luego viene los reactores nuclearses y la biomasa, finalmente las centrales hidroeléctricas y la genreación geotérmica. El uso de combustibles fósiles es lo que desde hace décadas ha venido contribuyendo al calentamiento global, sin embargo, en los últimos años adelantos en tecnologías de limpieza de los gases de escape se han implementado principalmente en países que han dictado políticas medioambientales sobre el tema, lo han implementado y hacen la adecuada verificación. Sin embargo, también hay otros países que por cuestiones económicas (dado que estas tecnologías tienen un costo) no se han implementado.
Para el año 2050 se espera una fuerte presencia de uso de fuentes de energía en base a tecnologías libres de carbón y que esto va a servir para estabilizar la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Sin embargo, aún el uso de combustibles fósiles seguirá presente, aunque en menor valor que las fuentes en base a energía nuclear.
Hacia este escenario se proyecta muchas de las políticias y acuerdos internacionales sobre el cambio climático, la independencia energética, la eficiencia energética, el abastacimiento cada vez más creciendo de la demanda de energía a nivel mundial.
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Aunque la energía de la biomasa se ha aprovechado desde que el hombre descubrió el fuego, la consideración actual de la biomasa como una fuente de energía limpia se hace bajo nuevos criterios y enfoques.
- El balance de CO2 emitido por la combustión de la biomasa es neutro. La combustión de biomasa, si se realiza en las condiciones adecuadas, produce agua y CO2, pero la cantidad emitida de CO2 (principal responsable del efecto invernadero) fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, el CO2 de la biomasa viva forma parte de un ciclo de circulación continuo entre la atmósfera y la vegetación, sin que suponga incremento de ese gas en la atmósfera con tal que la vegetación se renueve a la misma velocidad que se degrada.
- La biomasa no emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas.
- Una parte de la biomasa para fines energéticos procede de materiales residuales que es necesario eliminar. El aprovechamiento energético supone convertir un residuo en un recurso o lo que es lo mismo, reciclar.
- Los cultivos excedentarios serán sustituidos por los cultivos energéticos en el mercado de alimentos y esto puede llegar a ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola.
- La producción de la biomasa es totalmente descentralizada, ya que el recurso utilizado por esta energía está disperso por el territorio, que puede generar un gran cambio social y económico en el mundo rural.
- La utilización de la biomasa como energía también disminuye la dependencia externa para el abastecimiento de combustibles.
- La biomasa también es un importante campo de innovación tecnológica. Las respuestas tecnológicas que se están realizando están dirigidas a mejorar por completo el rendimiento energético de la biomasa, minimizar
los efectos ambientales de los residuos aprovechados, incrementar la competitividad comercial de los productos y posibilitar nuevas aplicaciones de los biocombustibles.
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Mediante las reacciones de gasificación de biomasa se obtiene un gas producto de composición variable, dependiendo de factores como la presión, temperatura, tipo de biomasa, agente gasificante empleado (vapor, aire, O2, H2, etc), tiempo de residencia en el gasificador, tipo de reactor y otros factores. Entre las reacciones que tienen lugar en la gasificación destacan:
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La gasificación es un proceso por el cual la biomasa es transformada en un gas combustible por descomposición térmica y reacciones químicas a alta temperatura en presencia de un agente gasificante. Se diferencia por tanto de la combustión, en que el gas obtenido en éste último no es combustible.
En términos generales la gasificación es una interacción entre un combustible y un agente gasificante compuesto en distinta proporción por oxígeno, aire, vapor de agua e incluso dióxido de carbono y nitrógeno.
Teóricamente el proceso de gasificación es un método empleado para obtener un combustible gaseoso, monóxido de carbono mayoritariamente y en menor medida hidrógeno, a partir de otro combustible, como puede ser cualquier tipo de biomasa con contenido carbónico, aunque una vez puesto en marcha el proceso se obtiene otra serie de componentes que acompañan a dicho monóxido de carbono en más o menos proporción, como dióxido de carbono, residuos tóxicos y otros componentes resultantes de las reacciones que se producen paralelas a la gasificación. Entre ellas se destacan pirólisis, oxidación e incluso hidrogenación.
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Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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