Formació de biocombustibles a partir de la degradació microbiana de la matèria orgànica. Compostos orgànics recalcitrants i formació de carbó i petroli. Producció del metà pels arqueus metanogènics.

INTRODUCCIÓ

Els biocombustibles existeixen des de la invenció dels automòbils. A principis del segle XX, Henry Ford va considerar utilitzar-los per moure els seus models amb etanol.

El descobriment de grans dipòsits de petroli van fer que la benzina i el dièsel es mantinguessin molt barats durant dècades, fet que va provocar l’oblit dels biocombustibles. No ha estat fins l’actual problema de l’escalfament global (degut a l’excés d’emissions de CO₂), que s’han tornat a utilitzar els biocombustibles per optimitzar la problemàtica existent.

La benzina i el dièsel són coneguts també com a combustibles fòssils, fonts d’energia que tenen els seus orígens en els organismes vius (vegetació i animals) que han estat enterrats durant milions d’anys. Per aquest motiu fa que siguin considerades energies no renovables, ja que l’explotació és superior a la producció.

DESENVOLUPAMENT

1. Formació de biocombustibles a partir de la degradació microbiana de la matèria orgànica.

Existeixen diferents formes de fabricar biocombustibles. Generalment s’utilitzen reaccions químiques, fermentació i escalfor per descompondre els midons, sucres i altres molècules de les plantes. Els productes residuals es refinen per produir un combustible que pot ser utilitzat  pels cotxes i es coneixen com biocarburants.

Els biocombustibles contenen components derivats de la biomassa, es a dir, organismes vius o els seus desfets metabòlics. Aquests components provenen habitualment del sucre, blat de moro, llavors oleaginoses o blat; els quals redueixen el volum de CO₂ que s’emet a l’atmosfera absorbint-lo a mida que van creixent.

Actualment aquests biocomponents es mesclen amb els carburants amb una proporció del 5-10% reduint una petita part l’emissió de gasos nocius. A Europa i Estats Units estan obligats, degut a la legislació, a mesclar biocombustibes (normalment etanol) fins a uns nivells determinats.

Amb l’ajuda d’alguns materials del rumen de les vaques, alguns científics del Servei d’Investigació Agrícola (ARS) estan desenvolupant noves maneres de degradar les fibres de plantes per convertir-les a biocombustible.

Per transformar el blat i la gespa, s’extreuen els sucres degradant les fibres. Estudis previs han mostrat que hi ha un grup d’enzims anomenats feruloil esterasas (FAEs en anglès) que tenen la capacitat de degradar els enllaços entre polímers. Aquests enzims proven d’uns microorganismes que degraden la matèria vegetal. S’han pogut aïllar, seqüenciar i clonar 12 gens que poden ser introduïts en les bactèries d’Escherichia coli per tal de produir els enzims desitjats.

En la següent taula podem observar els procés que es segueix per tal de general biocombustible a partir de la degradació microbiana de la matèria orgànica (en aquest cas microalgues):

Exemple de formació de biocombustible a partir de microalgues 

Els processos que observem son:

-        - Cultiu de microalgues

-        - Creixement en fotobioreactors

-        - Recol·lecció de microalgues

-        - Processat de la biomassa

-        - Producció de biocombustible

2. Compostos orgànics recalcitrants i formació de carbó i petroli.

Compostos orgànics recalcitrants

Els compostos recalcitrants són aquells que tenen enllaços molt estables, cosa que comporta que siguin molt més difícils de degradar. Si ho relacionem amb el carbó i el petroli, podríem dir que aquells compostos que es degraden abans, en les primeres etapes de la formació d’aquests hidrocarburs, són menys recalcitrants, i aquells que es degraden cap a les etapes finals o que no es degraden, són els compostos més recalcitrants. Com a conseqüència, els compostos més recalcitrants, són aquells que després de totes les etapes de degradació, acaben formant part del carbó i del petroli.

Els materials oposen un grau diferent de resistència a la degradació, si fem un anàlisi dels diferents compostos que conté la matèria orgànica de la qual procedeixen el petroli i el carbó, els compostos ordenats de menys a més resistència a la degradació són: olis vegetals, carbohidrats (midons, cel·lulosa o lignina), ceres i resines. I d’altres compostos com lípids i pectines. 

L’origen del carbó i el petroli es remunta al carbonífer, on existia matèria orgànica animal i vegetal morta. Pel que fa al carbó, presenta uns orígens terrestres (matèria orgànica vegetal) i el petroli uns orígens marins (zooplàncton i fitoplàncton). 

La formació del carbó i el petroli es pot dividir en dues etapes ben diferenciades: primerament la transformació bioquímica, la etapa en la qual actuen els microorganismes, anomenada diagènesis, i per últim, la transformació geoquímica en la que només es produeixen processos físics com són l’augment de la pressió i la temperatura, anomenada catagènesis.

Formació del carbó

És una roca sedimentària d’origen orgànic formada a partir de restes vegetals transformats per efectes combinats de l’acció microbiana, pressió i calor.

Esquema de la formació del carbó

Segons el moment del procés en el que ens trobem, aquesta roca sedimentària tindrà unes característiques de composició diferents, és per això que depenent de la combinació dels tres factors comentats anteriorment, l’acció microbiològica, la pressió i la calor, ens trobarem davant d’un tipus o un altre de material. Per ordre de profunditat i de menys a més percentatge de carbó a la seva composició, aquest material rep el nom de: torba, lignit, hulla i antracita.

Formació i rang del carbó

La formació del carbó comença amb l’acumulació de la matèria vegetal morta, on queia a zones pantanoses, marines o llacs i quedaven coberts pel llot. En aquest moment comença la diagènesis, amb una degradació aeròbica duta a terme pels microorganismes aeròbics. En aquest procés es produeix la transformació de les restes orgàniques degut a reaccions bioquímiques , i on aquesta matèria orgànica perd la majoria de grups funcionals associats. Són els fongs els que s’encarreguen de degradar la lignina, i les bactèries ho fan amb la cel·lulosa. En aquesta part de la degradació, trobem sobretot compostos de nitrogen, carboni i diòxid de carboni.

A mesura que anem augmentant la profunditat, va disminuint la quantitat d’oxigen i el medi es va convertint cada cop més en un medi anòxic. És per això, que en aquesta profunditat es produeix una degradació anaeròbica, la qual és produïda per microorganismes anaeròbics, on els productes d’aquestes reaccions són: un gas biogenètic (CH₄; CO₂ i H₂S), àcids húmics i substàncies bituminoses a partir de ceres, resines i grasses. I passem d’una matèria més humida degut a l’origen pantanós en el que estava, a una matèria més seca.

Arriba però, una profunditat en la qual ja no hi ha activitat microbiana, ja que les condicions són més extremes , i els microorganismes no hi poden viure. Augmenta la pressió, puja la temperatura i s’acidifica l’ambient. Es en aquest punt quan comença la catagènesi, que fa referència al metamorfisme del carbó sotmès únicament a processos geoquímics. Les principals reaccions que es produeixen són: de deshidratació i de descarboxilació/perduda de grups –OH. Els productes d’aquestes reaccions són hidrocarburs líquids i gasosos, i el residu sòlid que seria el carbó final anomenat lignit o antracita segons la quantitat de carboni que tingui la seva composició.

Esquema detallat dels processos de la formació del carbó

Formació del petroli

Fa entre 250 i 300 milions d’anys que al planeta terra existia un sol continent anomenat Pangea. Els oceans, mars i llacs estaven poblats de microorganismes microscòpics com són el fitoplàncton i el zooplàncton. Aquests microorganismes es van anar dipositant al fons del mars, on els bacteris presents al medi, van començar a descompondre aquesta matèria orgànica, alliberant tots els components solubles a l’aigua. Al cap de molts milions d’anys, es van acabar assecant els mars interiors per la formació d’estrats que es van anar creant des del fons marí. Això va fer que la matèria orgànica que s’havia descompost, es trobés sotmesa a fortes pressions i a temperatures elevades, fet que va produir el trencament de les seves molècules. A més, els bacteris descomponedors continuaren actuant gastant l’oxigen, juntament amb altres microorganismes que continuen la degradació. Els productes que en resulten són els hidrocarburs.

Petroli líquid

La transformació de la matèria orgànica a sediments però, és un procés complex. Els hidrocarburs són presents en els sediments recents, formant part de la fracció lipídica de les aportacions orgàniques.

La diagènesi de la matèria orgànica, comença en el moment de la deposició i es dóna entre la interfase aigua-sediment. Els biopolímers, la lignina, les proteïnes i els sucres s’hidrolitzen i són degradats microbiològicament en condicions aeròbies o anaeròbies depenent de la textura del sediment, del grau de consolidació i de l’energia de les aigües que l’envolten. La part que no utilitzen els microorganismes, les restes, es condensen i polimeritzen per formar compostos fúlvics, húmics i un geopolímer insoluble anomenat querogen, que és el component orgànic majoritari dels sediments antics, fonamental per la formació del petroli. L’estructura química del querogen variarà en funció del tipus d’aportacions orgàniques i les condicions físiques, químiques i biològiques de les deposicions.   

Els hidrocarburs, al ser poc densos, tendiran a pujar pel subsòl per capil·laritat fins al punt de trobar alguna capa de terreny impermeable, on s’acumularan com si fos un dipòsit, anomenat trampa. La roca que conté els hidrocarburs és l’anomenada roca mare. Així doncs, és com s’origina el petroli i el gas natural, gràcies a la descomposició dels microorganismes marins que s’acumulen en capes sedimentaries de l’escorça terrestre.    

Al següent vídeo, es pot observar d’una forma divulgativa i entretinguda, com es forma el petroli:

3. Producció del metà pels arqueus metanogènics.

Els arqueus metanogènics són microorganismes procariotes que es caracteritzen per sintetitzar metà en condicions anòxiques, com ara en plantes de tractament d’aigües residuals, fonts hidrotermals submarines, zones pantanoses, reserves de petroli, entre d’altres. És a dir, són respiradors anaerobis exclusius, i necessiten CO₂ com a acceptor d’electrons i com a font de carboni, per tant, són autotròfics. Aquests microorganismes els trobem dins el fílum Euryarchaeota.

Existeixen 5 classes diferents d’arqueus metanogènics identificats gràcies al biomarcador filogenètic 16S RNA ribosòmic: Methanobacterium, Methanococcus, Methanomicrobiales, Methanophyrus i Methanosarcina.

Els arqueus metanogènics poden créixer sobre diversos substrats i per això hi ha una classificació que els divideix en tres classes principals; si utilitzen un substrat de diòxid de carboni, de metil o d’acetat que els permetrà obtenir energia mitjançant el procés de metanogènesis.

Tal i com podem veure a la figura 1, consta de tres processos des del diòxid de carboni, fins a l’obtenció del metà. Aquests són: reducció del diòxid de carboni a formil, del formil a metilè i d’aquest a metil, i finalment la reducció del metil i a metà.

Figura 1: Procés de metanogènesis a partir del diòxid de carboni. 

 El primer procés de la metanogènesis, partint del CO₂, intervé el coenzim metanofurà (MF) que realitza la reducció del CO₂ a formil. A continuació, el coenzim metanopterina (MP) s'uneix al C₁ d'aquest formil i porta a la futura molècula de metà des del seu estat de formil fins metil, realitzant en el procés una sèrie de reduccions dutes a terme per la coenzim F₄₂₀, que transporta electrons obtinguts de l'H₂ per produir aquesta reducció a metil. Seguidament, és el coenzim M (CoM) que s’uneix amb el grup metil, que és reduirà a metà a l'últim pas de la metanogènesi amb la intervenció del complex enzimàtic reductasa metil-F₄₃₀ i el coenzim B (CoB).

BIBLIOGRAFIA

-        Medio ambiente y sociedad. Los biocombustibles ayudan a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. ¿que son los biocombustibles?.Bp. <<www.bp.com>>.Extret el 14/11/2013

-        Explorando el mundo de los microbios para mejorar la producción del biocombustible. Microbios para biocombustible. <<www.gemmahervas.com>>.Extret: 14/11/2013

-        National geographic. Biocombustibles. <<www.nationalgeographic.es>>. Extret: 20/11/2013

-        Biocombustibles. Ecologia.cat. Extret: 21/11/2013

-        Universidad de Alcalá de Henares. Arqueas (pdf).

 <<https://portal.uah.es/portal/page/portal/GP_EPD/PG-MA-ASIG/PG-ASIG-67023/TAB42351/Arqueas.pdf>>.  Extret el 14/11/2013

-        Consejo de Ciencia y Tecnologia del Estado de Guanajuato. <<http://www.concyteg.gob.mx/ideasConcyteg/Archivos/71032011_PRODUCCION_HIDROGENO_METANO_BIOCOMBUSTIBLES.pdf>>.Extret el 14/11/2013

-        Universidad Nacional Abierta y a distancia. Lección 29, Metanogénesis. <<http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358010/exe/leccin_29_metanognesis.html>>. Extret el 20/11/2013

-        Generalitat de Catalunya. Institut català d’energia. http://www20.gencat.cat/docs/icaen/Migracio%20automatica/Documents/El%20gestor%20energetic/Arxius/petroli.pdf Extret: 25/11/2013 http://www.mnactec.cat/factoria/interactius/formacio.html Extret: 25/11/2013

-        JOAN ALBAIGES i RIERA Unitat de Química Ambiental, Institut de Química Bioorgànica. http://publicacions.iec.cat/repository/pdf/00000122%5C00000095.pdf Extret: 27/11/2013

-        Formació del carbó. Alejandro Requena, Prof. Associat DE-USB de la Universidad Simón Bolívar  http://www.slideshare.net/alejandrorequena/formacion-del-carbn-12144639 Extret: 27/11/2013

-        Universitat Politècnica de Catalunya, Associació del Professorat de Tecnologia de Catalunya, Departament d’Educació de la Generalitat de Catalunya http://www.mnactec.cat/educa/energia.php?a=el_carbo Extret: 27/11/2013