SISTEMAS MICROBIANOS COMO SISTEMAS ABIERTOS


El crecimiento de los microorganismos es un sistema abierto complejo, en el cual se realiza transferencia de masa y energía, no es una exepción que las leyes de la termodinámica y de la conservación de las especies atómicas se cumplan en los cultivos bacterianos. Sin duda un fermentador continuo es un sistema muy complicado que requeriría muchas ecuaciones matemáticas para poder definirlo. Sin embargo, se sabe que:

a) Todos los átomos que entran al fermentador salen inclusive formando parte de otros compuestos.

b) Principalmente las reacciones que se desarrollan dentro del fermentador son reacciones de óxido-reducción, por lo tanto se puede realizar un balance de electrones.

c) Tanto los flujos entrantes como los salientes pueden ser referidos a la producción de la biomasa
.

En las células, las reacciones bioquímicas no suceden de forma aislada sino que forman un complejo entramado de transformaciones metabólicas(reacciones anábolicas y catabolicas) que ocurren de manera simultánea liberando energía en la reacción, que será utilizada en la producción de otras reacciones. Esta energía química utilizada de forma eficiente por las células desprende energía en forma de calor.
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Se pueden calcular los calores de reacción mediante la estequeometría microbiana y el concepto de electrones disponibles. Al determinar el calor de reacción en cultivos aerobios, se tiene una implicación importante la proporcionalidad existente entre el calor de combustión y el grado de reducción.

El grado de reducción se encuentra relacionado de manera directa con la cantidad de oxígeno necesario para la combustión completa de una sustancia, por lo tanto el calor producido en la reacción de combustión debe ser directamente proporcional al consumo de oxígeno.

En base a su capacidad para crecer en presencia o ausencia de oxígeno, los organismos se dividen en tres grupos : a) aerobios que pueden utilizar otros aceptores finales de electrones diferentes al oxígeno, tales como el nitrato y el nitrito, entre otros. El transporte de electrones desde NADH hasta estos aceptores esta acoplado a la fosforilación de ADP; b) facultativos; y c) anaerobios estrictos. En cultivos aerobios el oxígeno es el principal aceptor de electrones y tomando en cuenta que el oxígeno molecular acepta 4 electrones, si se consume una mol de oxígeno durante la respiración, se transfieren 4 moles de electrones, la energía desprendida por cada mol de Oxígeno consumido es (4*115)kJ o 460kJ. Este valor es valido para un amplio intervalo de condiciones, incluyendo las fermentaciones en que existen formación de producto.
Cuando se siembran microorganismos en un medio de cultivo adecuado, estos inician una división activa utilizando los nutrientes que le aporta el medio de cultivo para "fabricar" nuevos microorganismos. Este procesos continua hasta que algún nutriente del medio de cultivo se agota (sustrato limitante) y el crecimiento se detiene.

Hay dos aspectos claramente diferenciables que hacen al crecimiento microbiano: uno estequiométrico, por el cual la concentración final de microorganismos obtenidos dependerá de la concentración y composición del medio de cultivo, y el otro cinético, el que dirá con qué velocidad se lleva a cabo el proceso.









ESTEQUIOMETRÍA DEL CRECIMIENTO BACTERIANO
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La aplicación de la estequiometría requiere conocer los rendimientos. Estos se definen como la relación entre el producto obtenido y el sustrato consumido (usualmente la fuente de carbono y energía). Por ejemplo el rendimiento celular se define como:
X y S representan la concentración de biomasa y sustrato respectivamente.

La composición elemental de los microorganismos con respecto a los elementos mayoritarios (C, N, H, O) ya que la misma será el punto de partida para realizar los cálculos estequiométricos. Además, y antes de aplicar los balances estequiométricos deberemos responder a esta pregunta: ¿qué peso de células (o biomasa) corresponde a "un mol"?.

Se ha encontrado que la composición elemental de un microorganismo dado durante un cultivo no se modifica mayormente y las composiciones elementales de distintos tipos de microorganismos (bacterias y hongos) son semejantes. De este modo se puede definir un "microorganismo promedio" como aquél cuya composición es (% p/p): C = 46.5; H = 6.49; 0 = 31.0; N = 10.85, siendo el contenido de sales aproximadamente 5%. Es importante recalcar que si bien la composición elemental de la biomasa se mantiene constante durante el cultivo, no ocurre lo mismo con la composición macromolecular, esto es: proteínas, ácidos nucleicos, cte., la cual puede variar sensiblemente.

El proceso de crecimiento bacteriano implica que se lleven a cabo reacciones de generación de energía y de biosíntesis. La siguiente estequiometría describe un sistema de crecimiento microbiano a base de glucosa como sustrato:

Estequiometría global de oxidación de la glucosa:

C6H12O6 + 2.5 O2 + 0.7 NH3 → 0.7 C5H7O2N + 2.5 CO2 + 4.6 H2O
Energía:

0.417 C H O + 5.2 O → 5.2 CO + 5.2 H O + energía
Síntesis:

0.583 C6H12O6 + 7.0 NH37.0 C5H7O2N + 1.2 H2O
La estequiometría global es el resultado de la suma de la reacción de aporte energético y de síntesis.

La de aporte energético determina la cantidad de trabajo útil que puede ser efectuado por la célula. La reacción de síntesis consumirá parte de la energía producida. La reacción se completa cuando toda la glucosa ha sido convertida a productos de oxidación (respiración) o de síntesis.
A su vez cada una de las reacciones del metabolismo, energética y síntesis, es el resultado de procesos de oxidación – reducción. (Jácome, A. et al.2009).

Termodinámica del crecimiento microbiano



Todo sistema abierto defiende su estado estacionario a toda costa, pues el no lograrlo representaría llegar al equilibrio, o sea, la muerte.Por ejemplo en la microbiota antagónica se ha podido comprobar la excreción en el medio de determidadas sustancias que garantizan la reserva del sustrato alimenticio a favor de uno de los antagonistas, así gérmenes entéricos de la microbiota como algunas cepas de Escherichia coli excretan sustancias de naturaleza proteica, las colicinas, que poseen acción contra otros gérmenes entéricos, impidiendo así el desarrollo de una microbiota competitiva. También se han observado propiedades antagónicas de este tipo en los neumococos, las bacterias del tifus abdominal, estafilococos y muchas otras.
Los principios de la termodinámica pueden aplicarse al crecimiento microbiano. Los cambios de entalpía o calor, asi com los cambios de energía libre durante el crecimiento de los microbios puede ser determinades, realizando una seria de cálculos numéricos. Suponiendo la idealidad, podemos dcir que la enalpía o la energía libre de Gibbs des sistema sera igual a la suma de las entalpías o energías libres parciales molares de los componentes, estos valores parciales morales dependeran únicamente de las condiciones de la temperatura, presión y concentración del componente en cuestión. Por ejemplo:

Desde el punto de vista energético, un organismo en crecimiento es un Sistema en el que la energía producida por las reacciones catabólicas se transfiere a la cadena de reacciones anabólicas. De acuerdo con el segundo principio de termodinámica, sólo una parte de la energía total proporcionada por el sustrato, es decir,del calor de la reacción(▲H) correspondiente al calor de la transformación del sustrato en productos metabólicos, es teóricamente convertible en trabajo, lo que se expresa por la reacción clásica:
▲H = ▲F + T ▲S

Para hacer esta estimación es necesario hacer dos consideraciones: la entalpía y la energía libre deben ser tratadas cómo energías estándares, o sea a concentraciones de 1 M a presion atmosférica y a 298 o K. La segunda consideración concierne al hecho de que en crecimiento aerobio la combustion del sustrato produce CO2 y H2O, de donde el bióxido de carbono, el agua el nitrógeno elemental no pueden sumunistrar energía para los seres vivos. Entonces podemos decir que el contenido energético disponible sera equivalente a la entalpía de combustión del sustrato.

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BASES TERMODINÁMICAS DE LA EVOLUCIÓN BIOLÓGICA

Aunque la evolución del universo y de la vida se mueve en direcciones opuestas, la una hacia el desorden creciente, la entropía y la muerte térmica, y la otra hacia una organización y adaptación creciente. Así ,Ronald Fisher contribuyó a resolver el presunto antagonismo entre la segunda ley de la termodinámica y el evolucionismo darwiniano, proponiendo que ambas son manifestaciones especificas de una ley más general que hace que mientras el mundo de la vida -asciende- en organización y complejidad, el universo se degrada o -decae- en términos energéticos. Darwin y Boltzmann personifican las dos tendencias de universo en que vivimos de la explotación de los gradientes energético. El hecho de que ambas leyes tengan la misma presentación estadística es indicio o sospecha de que pueden ser explicadas por una ley más general

La fisiología en condiciones limitantes y de estrés implica transformaciones químicas próximas al equilibrio en las que los organismos tienden a un mínimo de producción de entropía. Parece razonable que etapas claves de la selección natural tienen lugar en condiciones límite, próximas al equilibrio, en el rango lineal de respuesta de la tasa de producción de entropía, por lo que una tendencia a minimizar la tasa de producción de entropía puede ser el factor clave de selección en la evolución biológica. Desde esta perspectiva, se ha considerado la relevancia evolutiva del teorema de Prigogine junto con la hipótesis ergódica de Boltzmann. La emergencia de estrategias metabólicas para economizar el uso de sustratos de carbono/energía, de sistemas de consumo de sustrato como el transporte activo y el aumento irreversible de la complejidad de los organismos a lo largo de la evolución serían así consecuencias de una tendencia más general de los sistemas metabólicos a disminuir las tasas de producción de entropía. (Sabater, B. 2005)






BIOMASA
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La biomasa es toda sustancia orgánica renovable de origen tanto animal como vegetal. Estas sustancias pueden haber sufrido, previamente a su utilización, diferentes procesos, naturales o artificiales, de escasa o elevada complejidad. Estos productos obtenidos se consideran también biomasa. El término biomasa es toda la materia que puede obtenerse a traves de la fotosíntesis. La mayoria de las especies vegetales utilizan energía solar para crear azucares del agua y de dóxido de carbono y la almacenan en frma de moléculas de glucosa y amidón, oleaginosas, celulosas y lignocelulosas.

La biomasa aparece como un recurso energético atractivo para un sin número de razones, entre ellas están:
  • Es un recurso renovable que podría ser desarrollado sosteniblemente en el futuro
  • Posee formidables características desde el punto de vista medioambiental , ya que reduce el número de contaminnates en la atmósfera
  • Puede tener potencial económico significativo frente al incremento del precio de los combustibles fósiles
  • Es fácil de almacenar, al contrario de lo que ocurre con las energías eólica y solar.

Desde principios de la historia de la humanidad, la biomasa ha sido una fuente energética esencial para el hombre. Con la llegada de los combustibles fósiles, este recurso energético perdió importancia en el mundo industrial. En la actualidad los principales usos que tiene son domésticos. En Europa, Francia es el país que mayor cantidad de biomasa consume (más de 9 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep)) seguido de Suecia. España ocupa el cuarto lugar dentro de esta listacon 3,6 millones.

Por otro lado, los argumentos negativos al utilizar la biomasa, es el que opera con enormes volúmenes combustibles , lo que hace que su transporte sea caro y obliga a una utilización local y sobre todo rural. Por otro lado, el rendimiento expresado en relación con la energía solar incidente sobre las mismas superficies, es mu débil (0.5% a 4%, contra el 10%a 30 %para las pilas solares fotovoltáicas)
También podemos definir a la biomasa como toda la materia orgánica vegetal o animal, incluidos los materiales procedentes de su transformación natural o artificial.. Por lo cual , la energía de la biomasa se puede obtener de varios materiales como de los cultivos que se transforman en energía(cultivos energéticos). Las plantas que se suelen utilizar para este fin, son de tipo herbáceo como el cardo, y leñoso, como el eucalipto.

Al observar el modo como se obtiene la biomasa, esta suele clasificarse en biomasa primaria y biomasa secundaria. La primaria es aquella que se obtiene directamente de un ecosistema natural para su utilización energética. La secundaria, también llamada residual, es la obtenida como residuo o subproducto de una actividad humana. También se podría hablar de un tercer tipo de biomasa, la consistente en un producto procesado previamente a su utilización energética final. Como por ejemplo el biogás obtenido de la digestión de la biomasa residual húmeda, del biodiésel o del bioetanol, o de los pélets y de las briquetas. Todos ellos son biocombustibles finales obtenidos en plantas que transforman la biomasa de origen primario, o secundario, en un producto final que podría entonces llegar a denominarse como biomasa terciaria según el criterio establecido, si bien es un término apenas utilizado en la actualidad.
De acuerdo al sector en el que la actividad humana obtiene la biomasa, generalmente suele hablarse de biomasa agrícola, forestal e industrial. Según el modo de obtención, entonces, puede tenerse biomasa cuyo origen es una actividad industrial o una ganadera tan solo puede hablarse de biomasa secundaria y residual.
Una clasificación comúnmente utilizada para el estudio de la biomasa se basa en el modo en que de ella se puede obtener energía, y como resulta muy intuitiva de cara a separar los procesos y tecnologías utilizados para la obtención de energía:

  • Biocombustibles sólidos
  • Biomasa residual húmeda
  • Biocarburantes

(Abrego, J. et al. 2010)


PIRÁMIDE DE LA BIOMASA
Las relaciones ecológicas entre seres vivos pueden ser representadas gráficamente por medio de la construcción de las denominadas pirámides ecológicas. Estas pirámides representan las variaciones de masa, número y energía dentro de un ecosistema.





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Expresa la cantidad de biomasa, materia viva acumulada en cada nivel trófico de la cadena alimenticia. Esta representada por el peso seco consumido en una cadena alimenticia y expresa la cantidad de materia orgánica por área.
















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PLANTAS DE BIOMASA


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CONTROL DE UNA PLANTA DE GASIFICACIÓN CON AIRE DE RESIDUOS EN LECHO MÓVIL EN CORRIENTES DESCENDENTES.


Para el aprovechamiento de residuos lignocelulósicos para la producción de energía pequeña y mediana escala se realiza la gasificación con aire en lecho móvil en corrientes descendentes. El control de la planta se lo hace a través de un ordenador con el programa LabView. Por otro lado, se tiene un cuarto done estan todas las instalaciones eléctricas y electrónicas como preamplificadores de señal, sistema de contrlde velocidad de motores, sistema de seguridad, relés, contactores, etc.

Sistema de alimentación de biomasa

Para poder cargar el gasificador se utiliza una cinta transportadora, la cual esta alimentada por una tolva situada en su base y que a su ves esta alimenta otra pequeña tolva que esta en la parte superior del gasificador. Esta última alimenta a un cilindro de recarga cerrado por arriba y por abajo , a través de sendas válvulas de cierre de tipo tajadera, activadas mediante electroválvulas neumáticas. En este cilindro esta un medidor de nivel de paletas, similar a otro que se encuentra situado dentro del propio gasificador. Se comprueba el nivel de caudal de gasificador a intervalos regulares de tiempo. i está por debajo del nivel mínimo, se vacía el cilindro de recarga, abriendo la tajadera inferior. Luego se vuelve a cargar el cilindro, activando la cinta transportadora, abriendo la tajadera superior y comprobando el nivel mediante el detector de ese compartimiento . Cuando el nivel de sólido alcanza el nivel adecuado, se para la cinta y se cierra la tajadera superior, dejando al sistema listo para un nuevo ciclo de recarga.

Sistema de alimentación de aire

Se lo realiza mediante un regulador de frecuencia, el cual regula el caudal de aire que proporciona la soplante. Para ello disponemos de un sensor que proporciona una salida proporcional a dicho caudal. Un regulador PID es aquel que mantiene un caudal constante, estableciéndose la señal de consigna desde el ordenador

Actuaciones temporizadas

Existen tres elementos dentro de la planta, cuyo funcionamiento es temporizado, los cuales sin activados desde el programa de control, l cual permite variar el tiempo de funcionamiento y paro de forma independiente para cada uno de ellos. Se trata de la parrilla giratoria, la cual esta en la parte inferior del gasificador, el agitador del lecho, que remueve la biomasa dentro del gasificador y el tornillo sinfín, que retira las cenizas producidas en la combustión

Adquisición de datos:

El ordenador de control registra la temperatura de cuatro termopares situados en el interior del gasificador a diferentes alturas. Además, la temperatura de la conducción de gas y en el aire y del intercambiador de calor, que precalienta el aire suministrado por la soplante. Y finalmente se mide la temperatura a la salida del sistema de limpieza de gases.
La presión se mide en cuatro puntos:
  • A la entrada de aire de gasificador
  • Zona de secado
  • En la salida de gas
  • Después del sistema de limpieza de gases

Exterior e interior de la planta de biomasa


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BIOMASA BACTERIANA

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Se define como el componente funcional de la microbiota del suelo, responsable de las transformaciones químicas y bioquímicas de la descomposición de la materia orgánica y el reciclaje de nutrientes. La biomasa bacteriana es empleada tambien como un índicador ecologíco sensible a los cambios ambientales.

Según otros autores definen a la biomasa microbiana como el componente funcional de la microbiota del suelo, responsable principalmente de la descomposición y reconversión de la materia orgánica y la transformación de nutrientes (Acosta & Paolini, 2006).
Además existe otro término, que constituye la biomasa microbiana edáfica que es la parte viva de la materia orgánica del suelo, excluyendo las raíces de las plantas y los animales de tamaño superior al de las amebas mayores, expresado generalmente en mg C kg-¹ o μg C g-¹ de suelo seco. Usualmente se han indicado valores para el C de la biomasa microbiana entre 1 y 4% del carbono orgánico y para el N de biomasa entre 2 y 6%del nitrógeno orgánico (Acosta & Paolini, 2006).

A pesar de la pequeña parte que representa de la materia orgánica del suelo, la biomasa microbiana participa de forma muy activa en la descomposición de la materia orgánica muerta que ingresa al suelo en forma de hojarasca o restos de animales o plantas, y por otro lado, es una fuente de nutrientes (N, P y S) para las plantas con una alta tasa de recambio (flujo de elementos). Por lo cual, ha sido relacionada con los procesos de mineralización de la materia orgánica. Además, juega un papel fundamental en la formación de la estructura del suelo, así como en su estabilización y se puede usar como un indicador ecológico sensible a los cambios ambientales (Acosta & Paolini, 2006).

Las bacterias representan entre el 25 y 30% de la biomasa microbiana del suelo, comportándose como los organismos más numerosos del suelo (entre 106 y 107 bacterias g-1de suelo), mientras que los hongos, dado su mayor tamaño y presentando menor abundancia, evidencia la biomasa más significativa (Olalde y Aguilera, 1998). Los hongos poseen la mayor masa microbiana, alcanzan hasta un 80%, su presencia esta sujeta a los tenores de M.O. Entre estos sobresalen los del género Deuteromycetes, como Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Phytophtora, Verticillum, etc. Sus principales funciones son heterotróficas sobre los restos vegetales y formación de simbiosis del tipo micorrízicas y parásitas, (Gómez, 2000).


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RELACIÓN CRECIMIENTO DE LA BIOMASA VS SUSTRATO

La relación entre el crecimiento y la utilización del sustrato puede ilustrarse con un simple reactor batch, empleando una botella tipo Winkler de las que se usan en el laboratorio parala determinación de la DBO. Supóngase que se vierte una cantidad de sustrato en la botella, y se inocula con un cultivo mezclado de microorganismos. Si S representa la cantidad de sustrato soluble (en miligramos por litro) y X representa la cantidad de biomasa (en miligramos por litro), la rapidez de consumo de sustrato es dS/dt, y la rapidez de crecimiento de biomasa es dX/dt, ambos fenómenos pueden representarse con las curvas que se muestran en la Figura:
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DETERMINACIÓN DE BIOMASA BACTERIANA


Existen un sin número de metodos que se encuentran disponibles para la determinación de biomasa de muestras biológicas. Varias de estas metodologías están fundamentadas en la detección específica de componentes celulares o productos metabólicos. Por ejemplo, quitina puede ser cuantificado y porque esta molécula es exclusiva de la pared celular de hongos, la concentración de quitina puede ser utilizada para estimar la biomasa de hongos.

Estimados de biomasa pueden ser también obtenerse indirectamente midiendo la concetración de proteínas, ATP y ADN. En este ejercicio se determinará la concentración de proteínas asociada a biomasa bacteriana utilizando el método de Lowry. Este proceso se basa en la reacción de las proteínas con el reactivo “FOLIN phenol” posterior a un tratamiento alcalino de cobre. La intensidad azul que se desarrolla es proporcional a la concentración de proteínas en la muestra.

Un ejemplo de estos métodos basados en la determinación de componentes celulares de los microorganismos es mediante la incorporación de Leucina. Simon y Azam (1989) introducen el método de leucina para estimar la producción bacteriana. Mostraron que existe una razón de proteína/carbón altamente invariable en células del bacterioplancton. Establecieron que se puede obtener un factor de conversión de
Leucina a producción de carbón si se conoce el factor de dilución o cuando menos que pueda ser medida.Establecieron que la dilución de 3H-leucina varia por un factor de 2 y tiene un valor entre (1.5-3 Kg. C/mol de leucina incorporada) Lo consideran un factor universal.


Existen 2 variaciones al método de Incorporación de Leucina, pero las bases bioquímicas y fisiológicas detrás de los métodos son las mismas. La leucina que se incorpora es con frecuencia utilizada en la síntesis de proteínas en cultivos puros de bacterias, porque la leucina tiene una constante de síntesis de todas las proteínas (7.3%, Kirchman et al, 1985). Consecuentemente la razón de síntesis de proteínas puede ser estimada de la razón en la cual estos aminoácidos aparecen en la fracción proteica. El método original llamado de Extracción con Ácido tricloroacético en caliente (TCA) para medir la incorporación de leucina específicamente en proteína, pero este paso
no es necesario, por que las diferencias entre que sea agregado frió o caliente el ácido en la extracción es indistinto, por que toda la leucina que se incorpora es directamente trasformada a proteína.
La razón de producción de biomasa total puede ser estimada entonces si la cantidad de proteínas por células o por biomasa celular es conocida. Sin embargo el tamaño celular y por ende la proteína por celular puede varían grandemente, la proteína es relativamente una fracción constante de la biomasa bacteriana (60% del peso seco; Simmon y Azam. 1989). La incorporación de leucina y timidina es dominada por las bacterias heterotróficas en casi todos los ambientes.
La razón de leucina incorporada en proteína es estimada de la aparición de radioactividad, añadida como 3H-leucina, en la fracción proteica. La adición de 3H-Leucina (20 nM) es normalmente mucho mas grande que las concentraciones insitu (< 1 nM). Esta alta concentración añadida tiene 2 efectos:
EFECTO 1
1.- Significa que la natural leucina extracelular usualmente puede ser ignorada en todos los cálculos.
EFECTO 2
2.- Porque las concentraciones extracelulares son tan altas con la adición de la leucina, la bacteria tomara la exogenea 3H-leucina y refrenara la biosíntesis de leucina y por tanto la producción de leucina no marcada, la cual es subsecuentemente usada para la síntesis de proteína.
Pero el problema es, una cantidad de biosíntesis de leucina, usualmente desconocida, quizás continúan en presencia de la alta leucina exógeno, esta es incorporación de leucina radioactiva. Esto es llamado “Dilución del isótopo (ID).
En general la ecuación que describe la producción de biomasa (BP) es estimada de la incorporación de leucina (Leu incorp) es:
BP = Leu incorp x 131.2 / (Leu por proteína) x (Carbón celular por proteína) x ID
Donde la Pb esta dada como g C por volumen por unidad de tiempo de la incubación.
El peso molecular de la leucina es 131.2 y la convierte moles de leucina incorporada en gramos de C.La fracción de leucina en proteína (Leu por proteína) es 7.3% (0.073 en la ecuación) y el Carbón celular por proteína es 0.86 (Simon y Azam, 1989).
Una aproximación conservativa (baja producción) deberá asumir que ID = 1. En cuyo caso, la producción bacteriana puede ser
calculada como:
BP = Leu incorp x 1.5 kg C por mol.
Cuando la incorporación de leucina es medida en moles incorporados por unidad de tiempo y volumen.
Incorporación de 3H-Leu, estimada por el método de micro centrifugación
.
Método original de Smith y Azam (1992) y es muy cercano al método de filtración tradicional. La diferencia critica es que la incubación y el radioensayo, ambos son hechos en tubos de micro-centrifuga de 2.0 ml. También la radioactividad incorporada en la biomasa microbiana es colectada por centrifugación, no por filtración. En resultado, la cantidad de radiactividad y el volumen de muestra y el cóctel de centelleo son mucho más pequeños que el utilizado en el método de filtración. El tiempo de procesamiento y la variabilidad de la cantidad de replica con frecuencia son mejores en este método.
Finalmente el blanco o control es usualmente mucho más bajo para este método de micro centrifugación, con los cuales permite razones bajas para ser medidas en cortos tiempos de incubación. Es especialmente importante cuando las muestras son aguas profundas con baja actividad.
INFORMACIÓN SUPLEMENTARIA





PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOMASA


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CLASIFICACIÓN


Bajo la denominación genérica de biomasa se incluye un conjunto muy heterogéneo de materias, tanto por su origen como por su naturaleza. Atendiendo al origen es posible diferenciar, desde un punto de vista ecológico, biomasas de distintos órdenes:
  • Biomasa primaria: es la materia orgánica formada directamente por los seres fotosintéticos (algas, plantas verdes y demás seres autótrofos). Este grupo comprende toda la biomasa vegetal, incluidos los residuos agrícolas (paja o restos de podas) y forestales (leñas).
  • Biomasa secundaria: es la producida por los seres heterótrofos que utilizan en su nutrición la biomasa primaria. Este tipo de biomasa implica una transformación biológica de la biomasa primaria para formar un nuevo tipo de biomasa de naturaleza distinta a la inicial. Un ejemplo sería la carne o las deyecciones debidas a los animales herbívoros.

  • Biomasa terciaria: es la producida por los seres que se alimentan de biomasa secundaria, como sería el caso de la carne de los animales carnívoros, que se alimentan de los herbívoros.

Otra forma de clasificación se la puede realizar de acuerdo a su origen:

  • Biomasa Natural

Es la que se produce en la naturaleza sin ninguna intervención humana. El problema que presenta este tipo de biomasa es la necesaria gestión de la adquisición y transporte del recurso al lugar de utilización. Esto puede provocar que la explotación de esta biomasa sea inviable económicamente.


  • Biomasa Residual (Seca y Húmeda)

Son los residuos que se generan en las actividades de agricultura (leñosos y herbáceos) y ganadería, en las forestales, en la industria maderera y agroalimentaria, entre otras y que todavía pueden ser utilizados y considerados subproductos. Como ejemplo podemos considerar el serrín, la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, etc.

Se denomina biomasa residual húmeda a los vertidos llamados biodegradables, es decir, las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines).


  • Cultivos Energéticos

Estos cultivos se generan con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible. Estos cultivos los podemos dividir en:
  • Cultivos ya existentes como los cereales, oleaginosas, remolacha, etc.
  • Lignocelulósicos forestales (chopo, sauces, etc.).
  • Lignocelulósicos herbáceos como el cardo Cynara cardunculus.
  • Otros cultivos como la pataca.

Dentro del Plan de Fomento de las Energías Renovables se contempla el aumento de 6.000 ktep de la utilización de la biomasa como fuente energética entre 1999 y 2010. Este incremento se quiere conseguir con las ayudas económicas y otros incentivos.

Esquema de la clasificación de la biomasa
Esquema de la clasificación de la biomasa


CULTIVOS ENERGÉTICOS


En la década de los setenta, a partir de la primera crisis energética, se empezó a considerar la posibilidad de producir energía por el sector agrícola mediante ciertos cultivos específicos, los cultivos energéticos. Es este caso, se persigue obtener la máxima cantidad de energía por unidad de superficie con el menor coste posible y, por supuesto, minimizando los impactos medioambientales. (Abrego, J. et al 2010)

Son aquellas plantas de crecimiento rápido, cuyo objetivo es la de obtención de energía o como materia prima para la obtención de otras sustancias combustibles. El desarrollo de estos cultivos esta relacionado con el desarrollo de la correspondiente industria de transformación de biomasa en combustible. Sin embargo el tema de la conveniencia de los cultivos energéticos es muy discutida,no solo por su rentabilidad sino también por la competencia que ejercerían con la producción de alimentos y otros productos que son necesarios como, madera. es importante conocer que no se necesita condiciones especiales en el suelo o condiciones cismáticas. Al contrario, lo que se busca es que el tipo de cultivo que mejor se adecue a las características del suelo y a las condiciones del lugar, y de esta manera tener una mayor rentabilidad económica y energética. Así e tendrá un mayor rendimiento en la trasnformación energética y una alta producción anual.

Lo cultivos energéticos que están destinados para la producción de biomasa, están los cultivos productores de biomasa lignocelulósica, apropiados para producir calor mediante combustión directa de las calderas. Los cultivos energéicos que son muy apropiados son las de especies herbáceas como el cardo. Este tipo de cultivo es el que tiene la menor adaptación climatológica y tienen un alta productividad y solo requiere la maquinaria agrícola de uso común. Evita la degradación de los suelos y reduce la contaminación por sus menores necesidades de fertilizantes, plaguicidas y herbicidas.

Un cultivo energético debe cumplir con los siguientes requisitos:

  • Facilidad para el agricultor, si el cultivo trata de una especie conocida, o similar a una especie con tradición en la zona, simplifica el trabajo al agricultor, genera confianza, disminuye la inversión en nueva maquinara o en adaptación de la misma, y disminuye los resgos tecnológicos y económicos.
  • Interés para el agricultor, siendo cultivos de alta producción con bajos costes. Para ello se requieren cultivos de elevado crecimiento, alta resistencia, etc.
  • Adaptación a la zona, el cultivo debe ser capaz de complir sus requerimientos fenológicos en la zona implantada, con sus clima, régimen de lluvias, etc.
  • Calidad como combustible, su contenido energético, su densidad, su baja humedad, bajo contenido en cenizas y la facilidad para su cosecha, gestión y pretratamiento.
  • Respecto al medio ambiente global, alta eficiencia en el uso del agua, capacidad de acumular varia veces la energía invertida en su crecimiento y nivel de emisiones asociadas al proceso de crecimiento y su valorización positivo respecto a combustibles fósiles.
  • Respecto al medio ambiente local, no debe causar impactos locales, como invadir hábitats naturales desplazando especies autóctonas, esquilmar los nutrientes del suelo o ser persistente y dificultar el uso futuro del terreno para otros fines.
(Abrego, J. et al. 2010)

VENTAJAS DEL EMPLEO DE BIOMASA


  • Disminución de las emisiones de CO2. Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este gas a la atmósfera.


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  • No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas.
  • Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos. Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada.
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  • Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola.
  • Permite la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos cerealistas.
  • Puede provocar un aumento económico en el medio rural.
  • Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.
  • Representa una fuente de ingreso y numerosos puestos de trabajos desde el principio al fin de su producción
  • La utilización de residuos forestales para la biomasa representa una importante reducción de incendios forestales y un efectivo control de plagas.
  • Permite el desarrollo de as regiones rurales y una oportunidad en el sector agrícola, por lo que permite siembre cultivos energéticos
  • Permite la utilización de recursos renovables en periodos cortos de tiempo
  • La reutilización de tierras retirada
  • Permite el incremento de la actividad agrícola y económica



En el aspecto térmico las ventajas representan:

  • Consumo ecológico y respetuoso con el medio ambiente: 0% de emisiones contaminantes a la atmósfera, solo se libera el CO2 absorbido por la planta a lo largo de su crecimiento.
  • Ahorro en el consumo: Según el poder calorífico de cada variedad de combustible, obtendremos un ahorro mínimo en coste, entre el 50% y el 60% respecto a la Gasolina.

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  • Suministro asegurado: Combustible económico por lo que no está sujeto a tantas fluctuaciones dentro del mercado internacional.
  • Calor residual: El combustible al ser sólido obtendremos un calor residual menor, que una vez apagado el motor, la temperatura del radiador decrecerá gradualmente.
  • Aprovechamiento de los residuos: La ceniza que obtendremos de la biomasa se podrá reciclar, ya que es un abono natural para nuestros jardines, huertos y plantas.



EN LA ACTUALIDAD:


La tecnología aplicada a la biomasa está sufriendo un gran desarrollo.La investigación se está centrando en los siguientes puntos:
  • En el aumento del rendimiento energético de este recurso.

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  • En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones.


  • En aumentar la competitividad en el mercado de los productos.


  • En posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los biocombustibles.


INCONVENIENTES:

  • Tiene un menor coste de producción frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles.
  • Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles.
  • Producción estacional
  • La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte y almacenamiento.
  • Necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.
  • Los Canales de distribución de biomasa se encuentran menos desarrollados, por lo que será necesario profundizar en aquello cuando se trabaje más con combustibles alternativos.
  • Los cultivos destinados a la producción de energía de biomasa compiten directamente con los cultivos destinados al consumo humano. Su mal uso puede dar lugar al aumento de los precios de los alimentos básicos.
  • A pesar de lo expresado anteriormente dentro de las ventajas, se debe considerar que la explotación a gran escala de los recursos forestales puede provocar efectos medioambientales negativos, tales como la desforestación.

El Cardo.

Este tipo de plantas son aquellas que crece por todo lado, son plantas que perjudican las plantaciones de los agricultores y se pueden convertir en una alternativa a los cultivos de cereales, si da resultado su cultivo puede ser utilizado como energía. Se a visto que el cardo son los que tienen mayor potencial para la producción de energía a corto plazo ya que estos poseen biomasa lignocelulósica. Por otro laso en España , el cardo vive de manera natural y crece en terrenos baldíos y arcenes de caminos. Son plantas poco exigentes y muy bien adaptadas a las condiciones ambientales del clima mediterráneo, el cual se caracteriza por veranos secos y calurosos. Pero sin embargo se a visto que de todas las especies de cardo, Cynara Cardunculus, es aquella que tiene las mejores condiciones para el aprovechamiento como recurso de biomasa. Esta especie, es una especie herbácea vivaz(perenne), con un ciclo anual de producción de biomasa aérea, que puede llegar a los 3 metros de altura. Este cultivo en condiciones de pluviometría el cultivo llega a dar producciones totales de biomasa, y en condiciones de secan, de 15 a 20 toneladas de materia seca por hectáreas y año.

Los cardos crecen durante 10 meses al año, durante e invierno realizan la fotosíntesis con bajas temperaturas y sus raíces son tan profundas que le permite encontrar agua e incluso abonos lixiviados de cultivos anteriores. Es importante conocer que en el verano, las raíces se mantienen frescas con abundantes sustancias de reserva., las cuales garantizan el crecimiento de la planta en al siguiente primavera. Par ala produccion de biomasa de una tierra cultivada de cardos depende de la disponibilida dde agua en primavera, la época de creciemiento activo y de una fertilización adecuada. El contenido calórico de la biomasa, con 0% de humedad, es de 4 termias por kilogramo (1 th=1000 kcal). Al utilizar el cardo cosechado y secado para la producción de emergía, en sustitución de los combustibles fósiles , presentan muchas ventajas económicas , estratégicas, social y medioambiental. A parte de las ventajas de utilizar combustible autóctono, al emplear las tierras retiradas de la producción de alimentos se promueve la generación de empleo y se mantiene la actividad rural, por lo cual esto contribuye a frenar su despoblación. Por otro lado , hay que destacar que la sustitución de barbecho por cultivos permanentes protege e suelo contra la erosión y lo enriquece en materia orgánica. Las ventajas ambientales están determinadas por las emisiones neutras de CO2, ya que el carbono liberado a la atmósfera en la combustión ha tenido que ser previamente fijado en la fotosíntesis. Hay que añadir el bajísimo contenido en azufre de la biomasa, lo que evita l a generación de lluvias ácidas.


PROCESOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA


Existen diferentes métodos que transforman la biomasa en energía aprovechable, expondremos los dos métodos más utilizados en este momento, los termoquímicos y los biológicos.

  • Métodos termoquímicos.
    Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están muy desarrollados para la biomasa seca, sobretodo para la paja y la madera. Se utilizan los procesos de:
    • Combustión
      Es la oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, en esta reacción se libera agua y gas carbónico, y puede ser utilizado para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial.
    • Pirólisis
      Se trata de una combustión incompleta a alta temperatura (500ºC) de la biomasa en condiciones anaerobias. Se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Este método libera también un gas pobre, mezcla de monóxido (CO) y dióxido de carbono (CO2), de hidrógeno (H2) y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de poco poder calórico, puede servir para accionar motores diesel,para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, es la pirólisis flash. Esta se realiza a una temperatura mayor, alrededor de 1.000 ºC, y tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. Se optimiza de esta forma el "gas pobre".
      Las instalaciones en la que se realizan la pirólisis y la gasificación de la biomasa se llaman gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente o puede servir como base para la síntesis de metanol, el cual podría sustituir a las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).
      La gasificación tiene ventajas con respecto a la biomasa original:
      • el gas producido es más versátil y se puede usar para los mismos propósitos que el gas natural;
      • puede quemarse para producir calor y vapor y puede alimentar motores de combustión interna y turbinas de gas para generar electricidad;
      • produce un combustible relativamente libre de impurezas y causa menores problemas de contaminación al quemarse.

  • Métodos biológicos

    Se trata de una fermentación alcohólica que transforma la biomasa en etanol (biocombustible). Este alcohol se produce por la fermentación de azúcares.
    Otro método biológico es la fermentación metánica, que es la digestión anaerobia de la biomasa por bacterias. Se suele utilizar para la transformación de la biomasa húmeda. En los fermentadores, o digestores. La celulosa es la sustancia que se degrada en un gas, el cual contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. Para este proceso se requiere una temperatura entre 30-35 º C. Estos digestores por su gran autonomía presentan una opción favorable para las explotaciones de ganadería intensiva.


  • Gasificación:El biogas que se produce de la fermentación natural, es canalizado hasta una central térmica próxima. Esta central transforma el biogas en energía las cual es canalizada hacia algún punto concreto o se suma a la red general de energía eléctrica. Un ejemplo de este proceso , es el proyecto de Viznar, en donde el biogas producido por los residuos acumulados durante 30 años será utilizado para la generación de electricidad que servirá para cubrir las necesidades energéticas de la iluminación pública de granada, calles , plazas y edificios municipales. A la vez que se realiza el sellado del vertedero se está introduciendo tuberías de canalización para el gas que producen las basuras hasta unos depósitos en la central térmica. Con esto se evita concentraciones de gas y posteriores explosiones


APLICACIONES DE LA BIOMASA




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DOCUMENTO SOBRE LAS APLICACIONES DE LA BIOMASA EN LA ACTUALIDAD.




Biocombustibles


La producción de biocombustibles como el etanol y el biodiesel tiene el potencial de sustituir cantidades significativas de combustibles fósiles en varias aplicaciones de transporte. El uso extenso del etanol en Brasil ha demostrado que los biocombustibles son técnicamente factibles en gran escala. La producción de biocombustibles en los EE.UU. y Europa (etanol y biodiesel ) está aumentando, siendo la mayoría de los productos utilizados en combustible mezcla, por ejemplo E20 está compuesto por 20% de etanol y 80% de gasolina y se ha descubierto que es eficaz en la mayoría de los motores de ignición sin ninguna modificación. Actualmente la producción de biocombustibles es apoyada con incentivos del gobierno, pero en el futuro, con el crecimiento de los sembrados dedicados a la bioenergía, y las economías de la escala, las reducciones de costos pueden hacer competitivos a los biocombustibles .

BIOPROCESOS Y LOS BIOCOMBUSTIBLES


Los biocombustibles son productos que los obtenemos apartir del girasol, caña de azúcar o remolacha. Por lo cual para la obtención de biodiesel a partir de los aceites vegetales, grasas animales y aceites de frituras usados se lo realiza en Laboratorios de Desarrollo de Procesos Químicos y Bioquímicos. El proceso de obtención consiste en la transesterificación del aceite o grasa con alcoholes ligeros, utilizándose un catalizador adecuado, para generar ésteres de ácidos grasos(biodiesel). El alcohol que se utiliza es metanol, aunque también se puede utilizar etanol, propanol o butanol. Como coproducto se obtiene glicerina, que se puede utilizar en otros procesos industriales.


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Materia prima: la materia prima que se puede utilizar para la obtención de biodiesel se pueden clasificar en

  • Aceite vegetal: Aceite de semillas oleoginosas: girasol,colza,soja y coco
Aceite de frutos oleoginosos: palma
Aceite de semillas oleoginosas alternativas: Brassica carinata, Camelina sativa, Pogianus
Aceites de vegetales de final de campaña: Aceite de oliva de alta acidez
  • Aceites de fritura usados: Grasas animales: sebo de distintas calidades
sectores implicados: Agrícola, Industrias Aceiteras, Industrias Químicas, Compañías Petroleras,
Cooperativas Agrícolas, Administraciones Locales y Autonómicas y Áreas Ambientalmente protegidas.

VENTAJAS:
  • Diminuir las principales emisiones de los vehículos como el monóxido de carbono y los hidrocarburos covátiles como en el caso de motores de gasolina y las partículas en el de los motores diesel.
  • La producción de biocarburantes supone una alternativa de uso del suelo que evita los fenómenos de erosión y desertificación a los que pueden quedar expuestas aquellas tierras agrícolas que están siendo abandonadas por los agricultores
  • Supone un ahorro del 25% a un 80% de las emisiones de CO2 producidas por los combustibles derivados del petróleo, así de esta manera se convierte en un elemento importante para disminuir los gases del efecto invernadero producido por el transporte

Halófitos para la producción de biocombustibles

Nuestro futuro depende en parte de nuestra capacidad de producir biocombustibles a partir de materia vegetal. Para poder liberar los azúcares que luego serán comvertidos en biocombustibles por microorganismos o enzimas derivadas de ellos, es usualmente necesario tratar el material lignocelulósico con ácidos o álcalis.
Un nuevo tipo de solvente, conocido como líquidos iónicos, a base de ciertas sales, se muestra prometedor para el pretratemiento del material lignocelulósico, pero desgraciadamente ha sido incomapatible con microorganismos o enzimas hasta el momento. Investigadores del Joint Genome Institute (JGI) y el Joint BioEnergy Institute (JBEI) del Departamento de Energía de los EEUU en Berkeley han encontrado enzimas que toleran estos solventes, examinando secuencias genómicas de halófitos tolerantes a altas concentraciones de sal.
El organismo identificado, Halorhabdus utahensis, de la rama de los Archaea —microorganismos que viven a menudo en ambientes extremos, fue aislado en el Gran Lago Salado de Utah. La celulasa halotolerante de este organismo podría revolucionar la producción de biocombustibles.
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Producción eléctrica


La electricidad puede ser generada a partir de un número de fuentes de biomasa y al ser una forma de energía renovable se la puede clasificar como "energía verde". La producción de electricidad a partir de fuentes renovables de biomasa no contribuye al efecto invernadero ya que el dióxido de carbono liberado por la biomasa cuando es quemado, (directa o indirectamente después de que se produzca un biocombustible ) es igual al dióxido de carbono absorbido por el material de la biomasa durante su crecimiento.

Calor y Vapor


La combustión de la biomasa o de biogás puede utilizarse para generar calor y vapor. El calor puede ser el producto principal, en usos tales como calefacción de hogares y cocinar, o puede ser un subproducto de la producción eléctrica en centrales combinadas de calor y energía. El vapor generado por la biomasa puede utilizarse para accionar turbinas de vapor para la producción eléctrica, utilizarse como calor de proceso en una fábrica o planta de procesamiento, o utilizarse para mantener un flujo de agua caliente.

Gas Combustible


Los biogases producidos de la digestión o de la pirolisis anaerobia tienen un número de aplicaciones. Pueden ser utilizados en motores de combustión interna para accionar turbinas para la producción eléctrica, puede utilizarse para producir calor para necesidades comerciales y domésticas, y en vehículos especialmente modificados como un combustible.


Adjunto el archivo en formato pdf: TERMODINAMICA Y CRECIMIENTO MICROBIANO




Y una aplicación de la utilización del calor de reacción para la producción de biomasa:



REFERENCIAS: