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23 y 24 de Agosto 2011; Monterrey, N.L., México Revista Salud Pública y Nutrición Edición Especial 3-2012 RESPYN
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23 y 24 de Agosto 2011; Monterrey, N.L., México
Revista Salud Pública y Nutrición Edición Especial 3-2012
RESPYN
BIOTECNOLOGÍA
EN
ACCIÓN CIENCIAS QUÍMICAS
Dr. Sergio S. Fernández Delgadillo
EL PAPEL DE LO
INFINITAMENTE PEQUEÑO
EN LA NATURALEZA, ES
INFINITAMENTE GRANDE LOUIS PASTEUR
SUSTENTABILIDAD “Satisfacer las necesidades de las
generaciones actuales en los planos
económico, ecológico y social, sin
comprometer los recursos y oportunidades
para el crecimiento y desarrollo de las
generaciones futuras.”
Esta definición se expresó por primera vez, haciendo referencia
a las capacidades que haya desarrollado el sistema humano
para lograr los objetivos informe Brundtland, “Our Common Future”, publicado en 1987.
Bioenergía
La bioenergía es la energía renovable
obtenida de materiales biológicos. En su más
estricto sentido es un sinónimo de
biocombustibles, combustibles derivados de
fuentes biológicas. En su sentido más amplio
abarca también la biomasa, el material
biológico utilizado como biocombustible, así
como la situación social, económica,
científica y técnica relacionadas con la
utilización de fuentes de energía biológica.
SUSTRATO
MATERIALES
ORGANICOS E
INORGANICOS
PRODUCTO
BIOMASA,
PRODUCTOS
METABÓLICOS,
GASES DE
DIGESTIÓN
MICROORGANISMOS ( SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS )
BIOTRANSFORMACIÓN
Bioenergética
•Cambios de energía que acompañan a los
procesos biológicos
•Transformación y empleo de energía por las
células vivientes
•Procesamiento y consumo de energía dentro de
los sistemas biológicos
Principio General de Fermentación
Producto-A SUSTRATO Producto-B
Intermediario Intermediario-P
Pi
NAD+
NADH+ H+
ADP
ATP
Principio General de Fermentación
Etanol GLUCOSA Acético
Acetil CoA Piruvato Acetil-P
Pi
NAD+
NADH+ H+ ADP
ATP
NAD+
NADH+ H+
Acetaldehido
CO2
NADH H NAD+
++
FADH H FAD+
++
FLAVOPROTEÍNACOENZIMA Q
Citocromo bCitocromo c
Citocromo a
O2 H2O
ATPATP
ATPATP
ATPATP
15000 CAL.
26000 CAL.
26000 CAL.
Respiración Aeróbica
ΔE’0=0.33 V
ΔE’0=0.57 V
ΔE’0=0.57 V
Respiración Anaeróbica
NADH H NAD+
++
FADH H FAD+
++
FLAVOPROTEÍNACOENZIMA Q
Citocromo bCitocromo c
Citocromo a
Fe+3
ATPATP
ATPATP
ATPATP
15000 CAL.
26000 CAL.
26000 CAL.
Fe+2
El hidrógeno y los electrones fluyen a lo largo
de la cadena en etapas, a partir de los
componentes de mayor potencial red-ox
negativo hacia los componentes de mayor
potencial red-ox positivo, a través de un
intervalo de 1.1 Volts que abarca desde el
NAD+/NADH hasta el O2 / 2 H2O.
H2O ½ O2
2H+
e-
Fotosistema II
e- NADP+
NADPH H + +
ATP
ADP
Fotosistema I
Respiración en
Fotosintéticos
hv
hv
CO2
Glucosa
Biosíntesis de Etanol por Levaduras
Etanol GLUCOSA
Acetil CoA Piruvato
NAD+
NADH+ H+
NAD+
NADH+ H+
Acetaldehido
CO2
BIOETANOL
El etanol es un compuesto químico obtenido a partir de la
fermentación de los azúcares que puede utilizarse como
combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades
variadas con gasolina, y su uso se ha extendido
principalmente para reemplazar el consumo de derivados
del petróleo.
El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina
se conoce como gasoil o alconafta. Dos mezclas comunes
son E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%,
respectivamente.
FUENTES Y PROCESO DE FABRICACIÓN
El etanol puede producirse de dos formas. La
mayor parte de la producción mundial se obtiene
del bio-procesamiento de materia biológica, en
particular ciertas plantas con azúcares. El etanol
así producido se conoce como bioetanol. Por otra
parte, también puede obtenerse etanol mediante
la modificación química del etileno, por
hidratación
El etanol puede producirse a partir de un gran
número de plantas, con una variación, según
el producto agrícola, del rendimiento entre el
combustible consumido y el generado en dicho
proceso. Este etanol, conocido como
bioetanol, está sujeto a una fuerte polémica:
para unos se perfila como un recurso
energético potencialmente sostenible que
puede ofrecer ventajas medioambientales y
económicas a largo plazo en contraposición a
los combustibles fósiles, mientras que para
otros es el responsable de grandes
deforestaciones y del aumento del precio de
los alimentos, al suplantar selvas y terrenos
agrícolas para su producción.
Bioetanol
Bio-Butanol, una alternativa a la gasolina
El butanol es producido
mediante fermentación
por la bacteria Clostridium
acetobutylicum, una
bacteria Gram positiva
endosporulada que crece
en anaerobiosis.
Clostridium acetobutylicum crece
bastante lentamente y además en su
proceso fermentativo se produce
acetona e hidrógeno lo que hace un
coctel explosivo algo peligroso. Así
que se ha intentado mejorar el
proceso de varias formas.
Bio-Butanol
Desde hace una década, varios investigadores han tratado de
desarrollar cepas hiperproductoras de butanol, apoyándose con las
herramientas de biología molecular, ingeniería de vías metabólicas,
así como en la optimización del proceso de fermentación mediante la
producción y extracción simultánea de butanol.
Recientemente, ha aumentado el
interés en el uso de butanol como un
complemento o sustituto de gasolina,
pues posee varias características que
lo hacen superior al etanol como
carburante. Tanto Clostridium
acetobutylicum como Escherichia coli
han demostrado ser bacterias útiles
en la biosíntesis de butanol, y es por
eso que con éstas se han realizado
esfuerzos para mejorar su producción
empleando diversas estrategias de
cultivo y modificaciones genéticas.
Bio-
Butanol una alternativa
a la gasolina
Butanol Gasolina Etanol Densidad de energía (MJ/L) 29.2 32 19.6
Proporción aire-combustible 11.2 14.6 9
Calor de vaporización (MJ/Kg) 0.43 0.36 0.92
Número de octanos en investigación 96 91-96 129
Número de octanos en motor 78 81-89 102
COMPARACIÓN DE PROPIEDADES
RELEVANTES DEL BUTANOL Y ETANOL
COMO CARBURANTES
(Lee et al., 2008).
El biogás es el producto gaseoso de la digestión
anaerobia de compuestos orgánicos.
Su composición, que depende del sustrato digerido y
del tipo de tecnología utilizada, puede ser la siguiente:
50-70% de metano (CH4).
30-40% de anhídrido carbónico (CO2).
≤5% de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S), y otros
gases.
Debido a su alto contenido en metano, tiene un poder
calorífico algo mayor que la mitad del poder calorífico
del gas natural.
Bio-Gás
Son anaerobios estrictos, para obtener
energía, pueden utilizar los productos de
fermentación de otros anaerobios (dióxido
de carbono, hidrógeno molecular,
formaldehido y acetato) que convierten en
metano. Los Metanógenos tienen un
exclusivo metabolismo energético en el que
utilizan hidrógeno molecular para reducir
el dióxido de carbono a metano. Sólo
pueden utilizar moléculas orgánicas muy
simples para la respiración y son incapaz
de usar hidratos de carbono y proteínas.
Los metanógenos son heterótrofos.
Microorganismos Metanógenos
ATP
CO2
Metano
H2 e- 2H+
Producción de
Metano
Célula
DESECHOS
PRECALENTADOR
BIOGÁS
BIODIGESTOR
BIOFERTILIZANTE
INSTALACIÓN
DEL PROCESO
Producción de Bio-Gás
Bielectrogénesis es aquel
proceso mediante el que
bacterias transfieren
electrones a superficies
conductoras generando
como subproducto agua
limpia. Es un proceso, por
tanto, en el que una energía
química se convierte en
energía eléctrica.
Bioelectrogénesis
Generando Electricidad con Bacterias
Bioelectrogénesis
Generando Electricidad con Bacterias
Los microorganismos que nos interesan
para esta forma de generación de energía
eléctrica son las denominadas bacterias
electrogénicas que se encuentran de forma
natural en ambientes anaerobios, es decir,
en ausencia de oxígeno, como pueden ser
los sedimentos de los ríos y lagos. Estas
bacterias en vez de aprovechar el oxígeno
para sus procesos metabólicos como
hacemos nosotros, respiran los minerales
de hierro presentes en el subsuelo
generando electrones libres.
O2
H2O
H+ H+
NADH
NAD+
NAD+
H+ Medox
Medred
Glucosa
CO2
Célula Bacteriana
Ánodo Cátodo
Membrana Intercambiadora
de Protones
Celdas Eléctricas
Microbianas
e-
e- e-
e-
El ánodo de esta célula de
combustible lo formaría la materia
orgánica presente en un medio
anaerobio en el que están
presentes las bacterias y en el que
se introduce un material conductor
como puede ser el grafito.
Conectado a un cátodo se produce
una corriente eléctrica generando
en el proceso agua limpia.
Bioelectrogénesis
Generando Electricidad con Bacterias.
Celdas Eléctricas en la
Naturaleza
Los proyectos de investigación en curso se enfocan hacia la
formación de celdas eléctricas microbianas en los medios en los que
se encuentra la materia orgánica: por ejemplo los fondos de embalses
o lagunas con lodos residuales. Enterrando el ánodo de grafito en el
sedimento anaerobio y colocando el cátodo en el medio acuoso se
puede generar corriente eléctrica a la vez que se convierte la materia
orgánica en agua limpia.
En este proceso se unen dos objetivos importantes para la
sociedades actuales: la generación de energía de forma limpia y el
uso de residuos, dos de los ejes de acción en los próximos años.
Científicos de la Universidad Inglesa de Birmingham han
desarrollado una celda eléctrica a partir de la Escherichia coli, una
bacteria que consume el azúcar del chocolate y el turrón
produciendo hidrógeno. Los investigadores han aprovechado este
gas para alimentar la célula de combustible, que genera suficiente
electricidad para mover un pequeño ventilador. Este proceso podría
aprovecharse además para limpiar por ejemplo los desechos de las
fábricas de chocolate, reconvirtiéndolos en electricidad.
Celdas Eléctricas con Chocolate
El suelo natural contiene metales
conductores de energía como el
zinc, cobre y hierro, y las celdas de
eléctricas microbianas son capaces
de convertir los electrolitos en el
suelo en energía utilizable. La
lámpara del diseñador holandés
Marieke Correa utiliza placas
conductoras de cobre y
zinc del suelo para proporcionar
constante y (casi) eterna luz a una
lampara de LED. Mantener una
lámpara de suelo es tan simple
como regar una planta – sólo hay
que regar con una pequeña
salpicada de agua de vez en cuando
Celdas
Eléctricas
Microbianas
de Tierra
BioenergyISO desarrollará un estándar internacional para abordar las cuestiones
vinculadas a la sostenibilidad de la bioenergía. La norma será producido por un
nuevo comité de ISO proyecto, ISO / PC 248, los criterios de sostenibilidad para la
bioenergía. ISO / PC 248 reunirá a expertos internacionales y el estado de la práctica
mejor arte para discutir los aspectos sociales, económicos y ambientales de la
producción, la cadena de suministro y utilización de bioenergía, y determinar los
criterios que podrían evitar que sean destructivos del medio ambiente o socialmente
agresivos. 29 Países están involucrados como participantes u observadores,
incluidos los grandes mercados como China y los EE.UU.. Brasil (ABNT miembros de
la ISO) y Alemania (DIN miembros de la ISO) se encargará de la secretaría y la
dirección de la comisión en virtud de un acuerdo de hermanamiento.
Acuerdos internacionales a través de
ISO
CIENCIAS QUÍMICAS
Plataforma de Investigación Verde en la
Facultad de Ciencias Químicas
Consideraciones en la Planeación
La minimización de subproductos Tóxicos
Procesos libres de sales
Procesos libres de solventes
Plataforma de Investigación Verde en la
Facultad de Ciencias Químicas
Busqueda de Rutas Sintéticas
Ecoeficientes
Rediseño de las Rutas Sintéticas
El uso de Reactivos Seguros
La Minimización de las Etapas
Sintéticas y los Aislamientos
Plataforma de Investigación Verde en la
Facultad de Ciencias Químicas
Conceptos Omnipresentes
Economía Atómica
y
Balance Energético
CIENCIAS QUÍMICAS
