Energia Biomasa

..........

. . . . . . . . . .

EnergíadeBiomasa

Fotosíntesis. Biomasa.

Conversión por microorganismos.

Biogas. Etanol. Biodiesel.

Leonor Carrillo

Edición del autor, S.S. Jujuy, 2004

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 2

Carrillo, Leonor

Energía de biomasa. 1° ed. S.S. Jujuy : el autor, 2004.

82 p. ; 28x22 cm.

ISBN 987-43-8679-7

1. Energía-Reciclado de Basura. I. Título

CDD 534.0363 722

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 3

Contenido

Conversión biológica de la energía solar. Fotosíntesis. 5

Aprovechamiento de la biomasa. Conversión microbiana. 16

Metanogénesis. Producción de biogas. 20

Digestores anaeròbicos. Digestores rurales. 27

Digestores de residuos industriales. 47

Digestores de residuos urbanos. 55

Producción de etanol. 65

Biodiesel y biofuel. Hidrocarburos vegetales. 71

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 4

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 5

FOTOSÍNTESIS

Conversión biológica de la energía solar. Características bioenergéticas de

la radiación solar. Captación de la energía luminosa. Reducción del

dióxido de carbono. Ciclo de Calvin. Ciclo de Hatch y Slack. El gas

carbónico en la atmósfera.

Conversión biológica de la energía solar

La energía solar que llega la biósfera (~3.1024 J/año) es captada y convertida en biomasa

por los ecosistemas terrestre y acuático con una eficiencia del 0,1% (~3.1021 J/año)

almacenándose en 200 Gt (peso seco) de material vegetal por año a expensas de la energía

solar, pues ~30 GJ corresponde a la síntesis de ~2 toneladas biomasa (7).

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 menor que las mismas.

Por otra parte, la energía solar que fija el reino vegetal en 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 ecosistema acuático cubre aproximadamente 2/3 de la superficie de la

Tierra, produce aproximadamente 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 104 km, presenta una

superficie de unas 5.1010 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 (6). Cabe mencionar que el rendimiento que puede alcanzar el cultivo de caña

de azúcar es 60 t/ha.año, el del maíz 50 t/ha.año, el de los bosque entre 10 y 40 t/ha.año,

el del camalote 150 t/ha.año, el de las algas entre 50 y 200 t/ha.año (7).

Cuadro 1. Producción de biomasa (7).

Ecosistema terrestre Bosques 70%

Praderas y sabanas 20%

Cultivos agrícolas 10%

Ecosistema marino Fitoplancton 90%

Macrófitas 10%

El fitoplancton o plancton que puede fotosintetizar, está constituído en su gran

mayoría por microorganismos (seres pequeños que se miden en micrómetros) con un

diámetro no menor de 20 m, principalmente diatomeas, cocolitofóridos y dinoflagelados

aunque también se encuentran cianobacterias (1).

Características bioenergéticas de la radiación solar

Debido a la distancia que la separa del Sol, la Tierra recibe aproximadamente 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 1017 W, pues el resto es absorbido o se

dispersa y refleja haciendo que nuestro planeta aparezca brillante a los ojos de un

observador exterior. Esta cantidad de energía que llega es una diez mil veces la que

actualmente consume la humanidad (7).

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 6

La fotobiología comprende una franja estrechísima de 300 a 1100 nanómetros, de la

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.

Figura 1. Espectro electromagnético (15)

La distribución del espectro solar en la biosfera 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 (~200 kJ/mol) (3).

Figura 2. Espectro solar y

su relación con el espectro

de absorción de la clorofila

(15).

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 7

Captación de la energía luminosa

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 (9).

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 (10).

La fotosíntesis se inicia con la captación de la luz por los pigmentos fotosintéticos

accesorios y su conversión en energía electrónica por los pigmentos clorofílicos 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 (7).

La unidad fotosintética básica está constituída 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 cíclico (porfirina) con un átomo de

magnesio en el centro (13).

Figura 3. Molécula de

clorofila (15).

Figura 4. Espectro de clorofilas y caroteno (15).

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 c 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 (15).

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

Leonor Carrillo. Energía de Biomasa 8

bacterioclorofila a en los centros de reacción: P840 en las bacterias verdes y P870 en las

purpúreas (3).

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 de cadena cerrada

abierta, además de los

carotenoides que son isoprenoides

poliénicos hidrofóbicos (carotenos

y xantófilas). No todos los

pigmentos están en cualquier

organismo fotosintético, por

ejemplo las ficobilinas son propias

de algas y cianobacterias (8).

Figura 5. Antena de pigmentos (15).

Figura 6. Transferencia de energía en la antena de pigmentos (15).

Los pigmentos fotosintéticos se encuentran organizados, estructural y

funcionalmente, en las membranas biológicas que en las bacterias verdes y purpúreas se

disponen en

...