Biohidrogeno

Biohidrogenoa prozesu biologikoen bidez sortutako hidrogenoa da. Hidrogeno mota honekiko interesa areagotu egin da azken urteotan, erregai garbia delako eta biomasatik abiatuta sor daitekeelako prozesu ekologiko baten bidez  Y.-H. Percival Zhang "Hydrogen Production from Carbohydrates: A Mini-Review" in "Sustainable Production of Fuels, Chemicals, and Fibers from Forest Biomass" ACS Symposium Series, 2011, Volume 1067, 203-216 orr. . Mikrobio eta alga batzuk dira, batez ere, hidrogeno mota hau sortzen dutenak.

 Hartziduren bidez sortutako biohidrogenoa 

Baldintza anaerobioetan, bakterio batzuek hidrogeno gasa (H2) sor dezakete glukosa hartzitzerakoan. 

Hartzidura egiten dutenean, mikrobio horiek glukosa hartzitzen dute azido organikoak (azetikoa, butirikoa, formikoa....) sortuz eta baita CO2 eta H2 gasak ere. Hartzidura butirikoan, hartzidura azido-mistoan eta hartzidura 2.3 butilenglikolikoan, esaterako, hidrogeno gasa sortzen da.

Hartzidura butirikoa:

 C6H12O6 -> CH3-CH2-CH2-COOH  + 2 CO2 + 2 H2

Maila industrialean ez da glukosa erabiltzen biohidrogenoa sortzeko, biomasa baizik. Biomasa batetik abiatuta, molekula organiko handiak (zelulosa, lignina...) hidrolizatzen dira lehenik, eta gero hartziduren bidez azido organikoak eta biohidrogenoa eskuratzen dira.

Biomasa aberatsa da mikrobioek hartzitzen dituzten gluzidoetan, eta nekazal- zein baso-hondakinetatik eta hiri-hondakinetatik ere lor daiteke  Doménech Martínez, P.: Tecnologias de producción de hidrógeno basadas en métodos biológicos, Informes técnicos CIEMAT, nº 1481,  2020ko abenduan .

Zer esanik ez dago biohidrogenoa sortu ahal izateko prozedurak oxigenorik gabeko ingurugiroa behar duela. Clostridium eta Desulfovibrio generoko bakterioak eta enterobakterio batzuk dira mota honetako hartzidurak burutzen dituzten bakterioak.

Prozesu honen biokimika honetan datza: hasierako substratoak oxidatu egiten dira elektroiak sortuz. Gero, elektroi horiek protoi askeekin elkartzen dira H2 sortzeko. Hidrogenasa izeneko entzimak dira azken urrats horretan parte hartzen direnak.

Hondakin-uren tratamenduan sortzen diren lohiak bioerreaktore handietan tratatu egiten dira. Hor, lehen aipatutako mikrobioek H2 sortzen dute hartzidurak burutzerakoan. Gero, sortutako H2 hori beste mikrobio batzuek (arkeo metanogenoek) erabiltzen dute metano asko duen biogasa sortzeko. Biohidrogenoa sortzeko prozesu industrialetan, arkeo metanogeno horien jarduera saihestu egin behar da, sortutako H2 desagetu ez dadin  Garrido Romero, M. Biocombustibles y producción de biohidrógeno . Horrek esan nahi du sortutako biohidrogenoa banandu eta metatu behar dela arkeo metanogenoek erabili aurretik.

Biohidrogenoa ekoizteko prozesu honi (hartzidura bakteriarraren bidez) hartzidura ilun deritzo, hurrengo atalean ikusiko dugun fotoharziduratik bereizteko.

 Fotohartzidura 

Bakterio fotoorganotrofo batzuek (Rhodospirillum, Rhodobacter, Rhodopseudomonas...), argiarekin, fotohartzidura izeneko prozesu bat burutzen dute: molekula organikoak oxidatzen dituzte, baldintza anaerobioetan, H2 sortuz  Redwood MD, Paterson-Beedle M, Macaskie LE (2009ko ekaina) [https://pure-oai.bham.ac.uk/ws/files/2922596/Redwood-Patterson-Macaskie_RESTEch_2009_ePrint.pdf Integrating dark and light biohydrogen production
strategies: towards the hydrogen economy] Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 8 (2): 149–185.. Bakterio hauek argia dute energia-iturria, eta materia organikoa karbono-iturria. Ez dute Calvin zikloa burutzen. 

Bakterio fotosintetiko hauek ez dute erabiltzen uraren fotolisia elektroi-iturri bezala (landare fotosintetikoen antzera), oxidatzen dituzten azido organikoak baizik (azetato, sukzinato...). Lehenengo fase batean glukosa oxidatuz aipatutako azido organikoak sortzen dituzte, eta bigarren fase batean biohidrogenoa ekoizten dute azido organikoak oxidatuz. Adibidez:

  2 CH3-COOH + 2 H2O -> 2 CO2 + 4 H2

Goiko erreakzioak energia askea positiboa dauka, hots, energia behar du. Hidrogenoaren ekoizpena ahalbidetzen duen entzima nitrogenasa da, nitrogeno atmosferikoa amoniako bihurtzen duena, H2 sortuz:

  N2 + 8H+ + 8 e- + 16 ATP -> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 P 

N2 ezean, nitrogenasak honako erreakzio hau katalizatzen du:

  2H+ + 2e- + 4 ATP -> H2 + 4 ADP + P 

Nitrogenasa inhibitu egiten da oxigeno edota amoniakoaren aurrean. Oxigenoa gehienetan ez dago, bakterio fotosintetiko hauek anaerobioak direlako. Horrek esan nahi du nitrogenoa dela kopuru mugatzaileetan mantendu behar den elementua.

Biohidrogenoaren ekoizpena zuzenki proportzionala da argiaren intentsitatearekiko  Martínez, V.L. eta García, R. Fermentación oscura, fotofermentación y biofotólisis: análisis de su aplicación en secuencia para la producción de hidrógeno biológico Researchgate.net (2010ko iraila) 

 Algek sortutako biohidrogenoa 

Hainbat algak biohidrogenoa sortzen dute fotosintesia egiten dutenean. Prozesu horri biofotolisi deritzo.

Prozesu fotosintetikoan uraren hidrolisia gertatzen denean hidrogenoa sor dezakete biofotolisia egiten duten algek, hidrogenasa entzima dutelako.

Algen bitartez biohidrogenoa ekoizteko prozesua hidrogeno berdea sortzeko erabiltzen denaren antzekoa da: uraren hidrolisia, baina eguzki-argia erabiliz energia berriztagarrien ordez, eta alga autotrofoen parte hartzerekin.

  2H2O -> O2 + 4 H+ + 4e- 

Prozesuan parte hartzen duten autotrofoak zianobakterioak edo alga berde batzuk (Chlamydomonas, esaterako) izan daitezke. Hidrogenasa entzimak ferredoxinatik datozen elektroiak (fotosintesi prozesuan) protoiekin konbinatzen ditu (NADP+ molekulari eman beharrean), H2 sortuz.

  2H+ + 2e- -> H2 

Hidrogenasa oxigenoarekin inaktibatu egiten da. Horrenbestez, algek baldintza anaerobioetan egin behar dute lan . Beraz, biohidrogenoa sintetizatzen duten algek baldintza anaerobioetan lan egiteko gai ere izan behar dute.

Ikusi da sufrea kenduz ingurugirotik Chlamydomonas reinhardtii algak fotosintesi normala egin beharrean (O2 askatzen duena) biohidrogenoa sortzen duena egiten duela  Melis, Anastasios; Zhang, Liping; Forestier, Marc; Ghirardi, Maria L.; Seibert, Michael (2000-01-01) Sustained Photobiological Hydrogen Gas Production upon Reversible Inactivation of Oxygen Evolution in the Green Alga Chlamydomonas reinhardtii Plant Physiology. 122 (1): 127–136 . Antza, sufrearen gabeziak oxigenoaren barne-fluxua eteten du, hidrogenasaren jarduera errazten duena

 Biohidrogenoaren ekoizpenaren eraginkortasuna 

Gaur egun maila industrialean ekoizten den hidrogenoa batik bat erregai fosilak (gasa, ikatza, hidrokarburoak...) erabiliz lortzen da, %96 inguru. %4 soilik lortzen da elektrolisiaren bidez, energia berriztagarriak erabiliz (hidrogeno berde izenekoa da). Aldaketa klimatikoa saihesteko eta trantsizio ekologikoa burutzeko ezinbestekoa da erregai fosilak baztertzea eta hidrogenoa teknologia garbien bidez lortzea. Horregatik, biohidrogenoaren ekoizpena bultzatzea eta honi lotutako teknologia hobetzea (mikrobioek eta algek biohidrogeno gehiago sor dezaten) estrategikoa da.

Bestalde, hidrogenoaren erabilera bera ere erregai gisa, ibilgailuetan, gasolinaren ordez trantsizio ekologikoaren beste helburuetako bat da. Horretarako, baina, hidrogenoaren biltegiratze eta banaketa prozesuak hobetu behar dira, eta ekoizpen-kostua jaitsi. Hidrogenoaren ekoizpen prozesu bera hobetu behar da eta eraginkorragoa bihurtu, gaur egun bioteknologiaren bidez lortzen den H2 kopuru txikietan lortzen baita. Esaterako, 25.000 kilometro karratuetako azalera algez beteta beharko litzateke AEBetako gasolina osoa ordezkatu ahal izateko  Aldhous, Peter Growing hydrogen for the cars of tomorrow NewScientist, 2006ko otsaila . Ingeniaritza genetikoaren bitartez mikrobio super-ekoizleak lortzea da bioteknologiaren erronka handienetako bat.

Gaur gaurkoz, goian aipatu dugun hartzidura iluna da prozedurarik onena biohidrogenoa eskuratzeko . Beste prozedurekin alderatuta, ikuspuntu tekniko batetik errazena da, biohidrogeno gehiago sortzen du eta erabiltzen diren substratuak merkeagoak dira (biomasa, hondakin organikoak...). Behar diren mikrobioak (Clostridium, adibidez) konpostaren edota hondakin-uren tratamenduan sortzen diren lohien bidez gehitzen dira. Teknologia berri batzuek hartzidura iluna fotohartzidurarekin eta biofotolisiarekin konbinatzen dute, prozesuaren eraginkortasuna hobetzeko.

 Erreferentziak 

 Kanpo estekak 

Kategoria: Hidrogenoa
Kategoria: Bioerregaiak
Kategoria: Bioteknologia