Industria Láctea en Holanda Alimentos y Regiones
Una visita a Holanda en una gira con periodistas de diecinueve países: La gira será presentada en 3 capítulos.
Fuente videos: Alimentos y Regiones
El Gusto por la Genética en un Fruto de Tomate Rafael Lozano Ruiz - Catedrático de Genética. Universidad de Almería
¡Las proteínas son mosaicos! Diego U. Ferreiro
| Autor | Diego U. Ferreiro Profesor e investigador de CONICET ferreiro@qb.fcen.uba.ar Laboratorio de Fisiología de Proteínas - Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. IQUIBICEN/CONICET |
Más de cinco veces vi la película ‘El Milagro de P. Tinto’ [1]. La primera me sorprendí, la segunda me divertí, la tercera no la entendí, la cuarta la disfruté, la quinta ya no pude distinguir sensaciones, una argamasa de impresiones sacudidas sin agitación. Repetir es re-observar, es recrear, reelegir, repensar, resentir.
¡Las proteínas son mosaicos! repetía en una y otra y otra clase el profesor DJ Goldstein. La primera vez entendí que buscaba que prestemos atención a la existencia del enlace polipeptídico. Las proteínas de la biósfera son/están hechas de sucesiones lineales de grupos de átomos comunes, unos 20 aminoácidos (Fig 1, izquierda). Toda cadena polipeptídica contiene la repetición “-NH-Cα-CO-”, y es esta misma periodicidad la que permite la existencia de patrones estructurales de orden superior, plegados regulares dados por simple repetición local de torsiones: αhélice, hoja-β, etc. La estabilidad de estas estructuras viene dada por la inherente simetría de la repetición “...-Cα-CO-NH-Cα-CO-NH-Cα-..”.
Tres años después volvimos a cursar con él y repitió incontable “¡Las proteínas son mosaicos!”. La segunda vez entendí que buscaba que prestemos atención al curioso fenómeno de la existencia de ‘dominios’ (estructurales y funcionales) en cadenas polipeptídicas naturales. Comparando secuencias génicas codificantes de organismos actuales es posible distinguir regiones que se parecen (Fig 1, derecha). Muchas proteínas modernas contienen arreglos de estas regiones y, típicamente, las proteínas ‘nuevas’ son combinaciones, re-arreglos, de dominios preexistentes. Mosaico génico. Lego-molecular.
Ya no volvimos a cursar con él. Me quedé sin una tercera re-vista junto. Pero es sencillo repetir: “¡Las proteínas son mosaicos!” ¿Qué tipo de mosaicos son? ¿Hay algún patrón mosaico en un nivel de organización entre los explicitados? ¿Hay repeticiones más allá de los ‘a-mi-no-ácidos’ y más acá de los ‘dominios’? ¿Hay repeticiones de conjuntos de aminoácidos que formen dominios? Como siempre, una vez aclarada la pregunta, la respuesta es casi trivial (corolario: si la respuesta no es trivial, la pregunta tal vez no sea la mejor).
Si bien la mayoría de las secuencias de aminoácidos de dominios proteicos naturales es aparentemente aleatoria (es decir, no hay repeticiones evidentes); existen familias de proteínas en las cuales es posible distinguir sucesiones lineales de residuos, motivos, que se repiten (Fig 1, centro). Las bien llamadas ‘proteínas-repetitivas’ son un grupo heterogéneo que invade alrededor de un tercio de las secuencias genómicas codificantes. En éstas se puede distinguir que unos pocos (entre 20 ~ 40 residuos) se repiten en tándem. Estas proteínas típicamente se pliegan en estructuras elongadas estabilizadas por la interacción en y entre las repeticiones.
Una cadena polipeptídica correspondiente a una sola repetición no se pliega cuando aislada, dos tampoco, tres a veces, cuatro si las condiciones son apropiadas... cuando lo son, todas las repeticiones se pliegan juntas, cooperativamente. Todas o ninguna. Varias repeticiones de aminoácidos constituyen un dominio estructural. Estos dominios estructurales pueden también ser vistos como mosaicos [2]. Se los puede descomponer en ‘azulejos’ que, combinados en formas específicas, dan lugar a la aparición de patrones simétricos de una belleza intrínseca análoga a la de los mosaicos por humanos construidos [3].
¿Qué tiene que ver esto con ‘la función proteica’? No lo sé aún. Confío en que repetir, re observar, re contemplar el mantra planteado puede ayudar: “¡Las proteínas son mosaicos!”. Los mosaicos de las proteínas repetitivas constituyen dominios estructurales. Dado que las repeticiones biológicas nunca son exactas, pequeñas variaciones en la secuencia y en el entorno dan lugar a que el plegado del dominio sea sensible a modificaciones sutiles. Mutaciones locales (cambios de secuencia) pueden des/estabilizar regiones específicas, y afinar la respuesta ante mutaciones globales (cambios de entorno). Recién estamos comenzando a entender cómo estas fuerzas se contraponen, se complementan, se conjuran en sistemas moleculares [4]. Tal vez los sistemas proteicos sencillos, en los cuales se puedan contrastar patrones en secuencias, en estructuras, en actividades, faciliten la comprensión, o al menos la apreciación, del fenómeno de la ‘emergencia funcional’ de/en proteínas. Solo el tiempo lo dirá. Mas, como dicen que los tiempos se repiten, quedo repitiendo: Sin repetición no hay patrón posible. Sin patrones no hay comunicación. Sin comunicaciones no hay flujo de información. Sin in-formaciones no hay forma. Sin formas no hay estructura. Sin estructuras solo hay ruido. Ruidos no es señal... pshhhiiii wiikkpa lmlkwnngj oagoiwig nmvpal... buen momento para volver a ver ‘El Milagro de P. Tinto’.
Ya no volvimos a cursar con él. Me quedé sin una tercera re-vista junto. Pero es sencillo repetir: “¡Las proteínas son mosaicos!” ¿Qué tipo de mosaicos son? ¿Hay algún patrón mosaico en un nivel de organización entre los explicitados? ¿Hay repeticiones más allá de los ‘a-mi-no-ácidos’ y más acá de los ‘dominios’? ¿Hay repeticiones de conjuntos de aminoácidos que formen dominios? Como siempre, una vez aclarada la pregunta, la respuesta es casi trivial (corolario: si la respuesta no es trivial, la pregunta tal vez no sea la mejor).
Si bien la mayoría de las secuencias de aminoácidos de dominios proteicos naturales es aparentemente aleatoria (es decir, no hay repeticiones evidentes); existen familias de proteínas en las cuales es posible distinguir sucesiones lineales de residuos, motivos, que se repiten (Fig 1, centro). Las bien llamadas ‘proteínas-repetitivas’ son un grupo heterogéneo que invade alrededor de un tercio de las secuencias genómicas codificantes. En éstas se puede distinguir que unos pocos (entre 20 ~ 40 residuos) se repiten en tándem. Estas proteínas típicamente se pliegan en estructuras elongadas estabilizadas por la interacción en y entre las repeticiones.
Una cadena polipeptídica correspondiente a una sola repetición no se pliega cuando aislada, dos tampoco, tres a veces, cuatro si las condiciones son apropiadas... cuando lo son, todas las repeticiones se pliegan juntas, cooperativamente. Todas o ninguna. Varias repeticiones de aminoácidos constituyen un dominio estructural. Estos dominios estructurales pueden también ser vistos como mosaicos [2]. Se los puede descomponer en ‘azulejos’ que, combinados en formas específicas, dan lugar a la aparición de patrones simétricos de una belleza intrínseca análoga a la de los mosaicos por humanos construidos [3].
¿Qué tiene que ver esto con ‘la función proteica’? No lo sé aún. Confío en que repetir, re observar, re contemplar el mantra planteado puede ayudar: “¡Las proteínas son mosaicos!”. Los mosaicos de las proteínas repetitivas constituyen dominios estructurales. Dado que las repeticiones biológicas nunca son exactas, pequeñas variaciones en la secuencia y en el entorno dan lugar a que el plegado del dominio sea sensible a modificaciones sutiles. Mutaciones locales (cambios de secuencia) pueden des/estabilizar regiones específicas, y afinar la respuesta ante mutaciones globales (cambios de entorno). Recién estamos comenzando a entender cómo estas fuerzas se contraponen, se complementan, se conjuran en sistemas moleculares [4]. Tal vez los sistemas proteicos sencillos, en los cuales se puedan contrastar patrones en secuencias, en estructuras, en actividades, faciliten la comprensión, o al menos la apreciación, del fenómeno de la ‘emergencia funcional’ de/en proteínas. Solo el tiempo lo dirá. Mas, como dicen que los tiempos se repiten, quedo repitiendo: Sin repetición no hay patrón posible. Sin patrones no hay comunicación. Sin comunicaciones no hay flujo de información. Sin in-formaciones no hay forma. Sin formas no hay estructura. Sin estructuras solo hay ruido. Ruidos no es señal... pshhhiiii wiikkpa lmlkwnngj oagoiwig nmvpal... buen momento para volver a ver ‘El Milagro de P. Tinto’.
Referencias
1. http://www.imdb.com/title/tt0151572/
2. http:/ xiv.org//ar abs/1306.2852
3. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22338658
4. http://arxiv.org/abs/1312.0867
Fuente:
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Continuously Variable Transmission Erik Mahieu
Wolfram Demostrations
Continuously Variable Transmission from the Wolfram Demonstrations Project by Erik Mahieu
This Demonstration models a toroidal continuously variable transmission (CVT). A toroidal CVT is made up of two disks on a central axle and a toroidal roller that transmits motion between them.
The disks are attached to two concave conical surfaces that enclose the torus. One disk (gray) is the input and the other (yellow) is the output. When the roller's axis is perpendicular to the axis of the disks, it contacts them at same-diameter locations and thus gives a 1:1 speed ratio.
You can move the roller up and down, contacting the disks at varying diameters and so changing the speed ratio through the range 1/4 to 4.
You can move the roller up and down, contacting the disks at varying diameters and so changing the speed ratio through the range 1/4 to 4.
Estudio Metabólico y Molecular de Cultivos Bacterianos degradadores de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) y resistentes a metales pesados
Química Viva
| Autores | M. Cecotti I.S.Morelli B.M. Coppotelli |
Resumen
La contaminación mixta con PAH y metales pesados conlleva dificultades debido a la potencial toxicidad del metal, limitando la supervivencia solo a los microorganismos que toleren ambos contaminantes. El estudio de cepas degradadoras de PAH y resistentes a metales pesados promete proporcionar herramientas claves para el proceso de biorremediación. Este trabajo tuvo como objetivos la selección, identificación y caracterización de cepas degradadoras de PAH y resistentes a metales pesados aisladas a partir de suelos proveniente de la Antártida y de zonas aledañas a la ciudad de La Plata.
La identificación a nivel molecular mostró que las cepas antárticas A, B y C, filogenéticamente relacionadas al género Pseudomonas, presentaron alta resistencia al CdCl2 (CIMs de 500 μg/ml) en caldo R3. Las cepas A y C mostraron porcentajes de degradación de fenantreno por encima del 40 %, mientras que B no superó el 25 %, en todos los casos se observó la acumulación del intermediario ácido 1-hidroxi-2-naftoico.
Las tres cepas fueron capaces de degradar fenantreno en presencia de 100 μg/ml de CdCl2. Las cepas bacterianas estudiadas podrían cumplir un importante rol frente a contaminaciones mixtas de fenantreno y metales como Cd+2, usualmente presentes en suelos co-contaminados.
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Física de los Destornilladores Flotantes Applied Science
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Explicación sobre cómo un chorro de aire puede hacer flotar un destornillador.
Fuente: Applied Science
Biología Sintética Fases de Desarrollo
La Biología Sintética trasciende la mera manipulación microbiana y pone en cuestión conceptos centrales de la evolución.
La disciplina ha recorrido tres fases, debido a su capacidad de escoger trayectorias diferentes de las que originalmente tomó la naturaleza.
Primera fase: La Biotecnología o ingeniería genética
La primera fue la era de la ingeniería genética o de la biotecnología. Comenzó en los años setenta con la modificación del genoma de microorganismos. Se alteró el genoma de la bacteria Escherichia coli para que produjese insulina, eritropoyetina y anticuerpos monoclonales, entre otros.
En el año 1972 Stanley Cohen y Herbert Boyer coincidieron en una conferencia sobre plásmidos, fragmentos circulares de ADN que pueden replicarse independientemente de los cromosomas celulares. En la conferencia, Cohen hizo público que podía insertar plásmidos en E. coli, para que la bacteria los propagara y clonara. Boyer habló de su trabajo con EcoRI, enzima que corta el ADN en puntos específicos. Ambos se per-cataron de que si combinaban sus dos hallazgos, podrían ensartar fragmentos de dos plásmidos diferentes y producir ADN recombinante, dejando que la bacteria produjera cantidades ingentes del plásmido así creado.
Primera fase: La Biotecnología o ingeniería genética
La primera fue la era de la ingeniería genética o de la biotecnología. Comenzó en los años setenta con la modificación del genoma de microorganismos. Se alteró el genoma de la bacteria Escherichia coli para que produjese insulina, eritropoyetina y anticuerpos monoclonales, entre otros.
En el año 1972 Stanley Cohen y Herbert Boyer coincidieron en una conferencia sobre plásmidos, fragmentos circulares de ADN que pueden replicarse independientemente de los cromosomas celulares. En la conferencia, Cohen hizo público que podía insertar plásmidos en E. coli, para que la bacteria los propagara y clonara. Boyer habló de su trabajo con EcoRI, enzima que corta el ADN en puntos específicos. Ambos se per-cataron de que si combinaban sus dos hallazgos, podrían ensartar fragmentos de dos plásmidos diferentes y producir ADN recombinante, dejando que la bacteria produjera cantidades ingentes del plásmido así creado.
Segunda fase:
Elaboración y desarrollo de una genómica Sintética
La segunda fase se aplicó a la elaboración y desarrollo de una genómica sintética asociada a la fabricación de nuevos fármacos y producción de biocombustibles y alimentos genéticamente modificados.
Tercera fase: La Biología Sintética
En la tercera fase, la actual, se pretende la síntesis completa de genomas, incluso la creación de especies completamente nuevas.
Definición de la biología sintética
Se define a la Biología Sintética como el diseño y fabricación de componentes y sistemas biológicos que no existen en la naturaleza, así como a las técnicas que permiten introducir modificaciones en los diseños de los sistemas biológicos ya existentes. Siendo el objetivo final, la creación de nuevos organismos capaces de responder a determinados estímulos de una forma programada, controlada y confiable.
La aparición de la Biología Sintética marca el final de la evolución darwiniana tal y como la conocíamos. Pues mediante una intervención en los mecanismos reguladores naturales, podemos acceder a todo un universo de posibilidades, muchas de las cuales jamás habrían sido alcanzadas a través de la evolución natural.
A lo largo de las últimas décadas, el crecimiento acelerado de recursos y esfuerzos técnico-científicos, sumado al impacto de los últimos descubrimientos y sus implica-ciones socioeconómicas han colocado a la Biología en una posición dominante en el ámbito de las ciencias.
Los avances en el estudio del cáncer o el cerebro prometen modificar muchas de nuestras ideas y acercarnos al origen y tratamiento de enfermedades hasta ahora invencibles. Muchos de estos avances son el resultado de mejores técnicas experimentales, pero también del desarrollo de modelos teóricos y de simulación por computadora.
Ha sido la colaboración entre investigadores provenientes de distintas disciplinas, la que ha llevado al desarrollo de la llamada Biología de Sistemas, que es una disciplina en la que se considera la complejidad biológica en términos de sistemas en interacción.
En el terreno experimental, el desarrollo de la ingeniería genética y la posibilidad de manipular no reacciones o elementos concretos, sino células o procesos celulares complejos, han abierto la puerta a ésta otra disciplina - la Biología Sintética - que cambiará sin duda nuestro conocimiento de lo vivo y sus límites.
Esto se realiza mediante la introducción de secuencias de ADN que codifican nuevos genes, a menudo procedentes de otras especies distintas de aquella sobre la que se actúa.
Es muy probable que debamos esperar 10 o 15 años para que la Biología Sintética llegue a un nivel de desarrollo suficiente como para ser aplicada directamente en campos como el de la Biomedicina o en las aplicaciones de Biorremediación medioambiental. De lo que no cabe duda es que estamos asistiendo y participando activamente en una de las revoluciones científicas y tecnológicas que decidirán el curso del conocimiento futuro.
En el Cuadro I, los autores de "Presente y futuro de la Biología Sintética" Juan Macías y Ricard Solé, detallan una lista de algunas de las potenciales aplicaciones de la Biología Sintética en las que se está trabajando actualmente. Ver Cuadro I
En el Cuadro II los mismos autores detallan una lista de algunos de los avances más significativos de la última década. Ver Cuadro II
Tecnologías de Biología Sintética
Expansión del código genético
Los primeros pasos en el diseño de nuevas formas de vida consisten en el diseño de microorganismos que utilizan un código genético diferente al que actualmente emplean todas las formas de vida existentes en nuestro planeta. Mediante la introducción de nuevas unidades sintéticas en su ADN estos organismos poseerían proteínas sintéticas.
Circuitos genéticos
La activación de estos genes oscila entre los estados de encendido y apagado a medida que la señal se propaga por el circuito, produciendo a su vez oscilaciones periódicas en la concentración de las proteínas que codifican. La arquitectura de estos circuitos es cíclica y en ellos cada gen inhibe al siguiente y a su vez es inhibido por el anterior, razón por la cual a este tipo de circuitos se les denomina osciladores.
Genoma mínimo
El proceso para identificar el genoma mínimo de los microorganismos sintéticos se puede realizar a través de diversos métodos que van desde la identificación de genes esenciales por mutagénesis hasta el análisis de homología de secuencias génicas mediante herramientas bioinformáticas. Una tercera alternativa consiste en el estudio de sistemas biológicos que han experimentado de forma natural una reducción de su material genético.
Evolución dirigida
Es un método alternativo que no necesita de un conocimiento previo acerca de los detalles de la función del circuito. La evolución dirigida es un proceso que aprovecha la habilidad de las células para sobrevivir frente a una presión selectiva. Una de las técnicas que emplea esta estrategia es el denominado "DNA shuffling" o "molecular breeding".
Ingeniería genética in silico
La Biología Sintética tiene como objetivo la construcción de modelos que puedan predecir con precisión el cómo se comportaría el circuito genético en el interior de las células. Pero las células están sujetas a cambios constantes que incluyen el estrés del medio y las mutaciones genéticas que afectan su habilidad para crecer y propagarse. Las simulaciones realizadas mediante Ingeniería Genética in silico, deben tener en cuenta estas circunstancias para conferirle realismo a los modelos que se vayan creando. Las simulaciones por computadora son una herramienta básica de la Biología sintética, siempre y cuando se mantengan los principios de estandarización de los componentes del modelo y la optimización de los circuitos diseñados.
Campos de aplicación de La biología sintética
Biomedicina
La medicina será una de las áreas más beneficiadas de los avances en esta nueva disciplina, tanto las áreas de desarrollo de nuevos fármacos, la terapia génica, como la reparación y regeneración de tejidos y la reprogramación celular.
Fármacos
La idea es la creación de un fármaco compuesto por una envoltura sintética que contiene una molécula que al detectar un indicador concreto activa la liberación del fármaco. Su administración debería ser sencilla y sólo debería activarse cuando el paciente desarrollase la enfermedad.
Genómica personalizada
La Biología Sintética permitirá obtener un conocimiento más amplio de la complejidad de las enfermedades y por lo tanto, será posible desarrollar fármacos a la carta. Esto se realizará gracias a las tecnologías propias de este campo, como son la creación de circuitos genéticos y la ingeniería genética in silico.
Terapia genética
Consiste en el diseño y modificación del virus para transportar genes a tejidos concretos y conseguir la recombinación e integración de los mismos de forma eficiente en el genoma del paciente. Además del virus, también es posible el diseño de circuitos biológicos que detecten cambios fisiológicos anormales en las células y den lugar a una respuesta basada en la recombinación del gen anormal con su homólogo normal.
Reparación y regeneración de tejidos
Esta aplicación se basa en el diseño de sistemas moleculares formados por sensores capaces de reconocer la existencia de daños en determinados tejidos, unido a un grupo de enzimas capaces de reparar el daño.
Reprogramación celular
Las células madre pueden ser modificadas de modo que adquieran nuevas propiedades y posteriormente sean introducidas en pacientes para, por ejemplo, revertir una patología. Esta terapia podría ser de utilidad en la reprogramación del sistema inmune con el objeto de combatir enfermedades infecciosas.
Biosensores
Los dispositivos compactos de análisis, denominados Biosensores, se componen de un elemento capaz de reconocer e interaccionar con sustancias o microorganismos de interés y de un sistema electrónico que permite procesar la señal producida por esta interacción.
Energía
La producción de bioenergía mediante microorganismos sintéticos se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Existen tres campos de investigación principales a respecto de la producción de bioenergía mediante Biología Sintética, la producción de hidrógeno o etanol, la conversión eficiente de residuos en energía y la conversión de energía solar en hidrógeno.
Nuevos biomateriales
Los biomateriales son materiales farmacológicamente inertes, utilizados para ser incorporados o implantados dentro de un sistema vivo para reemplazar o restaurar alguna función, permaneciendo en contacto permanente o intermitente con los fluidos corporales.
Otros campos de aplicación es la Biorremediación que es el empleo de bacterias y hongos modificados como herramientas con el fin de eliminar compuestos tóxicos y no contaminar los ecosistemas. Así como los es también, el diseño de microorganismos capaces de extraer minerales de interés presentes incluso en bajas concentraciones (debido a la sobreexplotación de una mina o a la baja calidad de la misma) y la inserción de ácidos nucléicos no naturales en secuencias transgénicas que proporcionaría un mecanismo de control de estos organismos, ya que su presencia dependería exclusivamente del aporte de percusores de ácidos nucléicos no naturales, los cuales no se encuentran en la naturaleza.
El Mirel es un polihidroxibutirato (PHB) de extracción microbiana y presenta ventajas ambientales evidentes sobre la versión derivada del petróleo, pues libera nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Su fuente principal es el maíz que es un recurso renovable y sostenible. Este producto reemplazará al que se venía extrayendo de hidrocarburos fósiles. Por otro lado, las resinas Mirel son los únicos bioplásticos sin almidón acreditados por los organismos de certificación, en cuanto a su biodegradabilidad en suelos naturales y en el mar.
De los compuestos petroquímicos se obtiene también el 1,3-propanediol (PDO), que es el principal componente de la fibra Sorona para alfombras. Gracias a la Biología Sintética, se creó una cepa industrial de Escherichia coli con 26 cambios genéticos que convierte directamente la glucosa del maíz en PDO, en un tanque de fermentación.
Los organismos genéticamente manipulados (OGM) producen diesel, gasolina y combustible para aviones. Y actualmente se manipulan microorganismos con el fin de detectar la presencia de arsénico en el agua potable a unas concentraciones sumamente bajas.
El científico George Church de la Universidad Harvard, informó incluso que trabajaba en una nueva técnica que supuestamente podría devolver la vida a especies extinguidas cuyo genoma se conozca o pueda reconstruirse a partir de restos fósiles (como el Mamut Lanudo). Uno de los graves obstáculos para semejante proeza reside en la carencia de núcleos celulares intactos, lo que significa que no existe núcleo disponible para una clonación por transferencia nuclear.
Aunque se haya reconstruido la secuencia genómica del mamut y esté registrada en bases de datos, no se sabe cómo convertir una secuencia abstracta de letras en hebras de nucleótidos que conformen el genoma. Confían en el refinamiento de la técnica MAGE (Ingeniería del Genoma Múltiple Automatizado), una forma de versión acelerada y a escala industrial de la ingeniería genética.
Biobricks
Biobricks es una base de datos de "partes norma" de DNA que codifican para distintas funciones biológicas.
Usando las normas biológicas un biólogo sintético o un ingeniero sintético o un biohacker o cualquier persona, puede de cierta forma programar organismos vivos de la misma forma que un programador programa un software de computadora. Las secuencias de ADN, la información y otras características de las partes biologicas BioBrick se encuentran a disposición del público de forma gratuita a través del MIT's Registry of Standard Biological Parts (www.parts.igem.org). Cualquier persona o organización puede diseñar, mejorar y contribuir partes biológicas BioBrick.
El catalogo de partes biológicas incluye partes biológicas para: inverters, receivers and senders, dispositivos de medición, movimiento, quorum sensing, relojes biológicos, fotosensibilidad, etc.
Líneas de negocios aplicando la biología sintética
En el año 2011 era posible descifrar tres mil millones de pares de bases genéticas que conforman el genoma humano, invirtiendo diez mil dólares y en un periodo de apenas ocho días. Y en ese momento se había previsto que para el actual año sería posible realizarlo por un costo de mil dólares y en quince minutos. Además de la medicina genómica, la Biología Sintética proveerá nuevos combustibles y formas de descontaminar el ambiente, lo que representa un mercado que mueve miles de millones de dólares en la actualidad.
Insuflada por inversiones multimillonarias la Biología Sintética florece en lugares impensados. La empresa petrolera Exxon Mobil comprometió trescientos millones de dólares para producir algas que funcionen como combustible no contaminante. La empresa química Du Pont ya creó levaduras capaces de convertir el azúcar de los alimentos en bioplásticos. Por su parte, la empresa farmacéutica Kosan, adquirida por el laboratorio Glaxo Smith Kline, desarrolló un promisorio agente contra el cáncer con las herramientas de la Biología Sintética.
El científico Keasling es codirector del área de Biociencias del Laboratorio Lawrence Berkeley y sintetizó una levadura capaz de producir la droga artemisinina para la malaria en gran cantidad y con menores costos que la que se obtiene hoy de una planta. El laboratorio Sanofis-Aventis ya compró este exponente de la nueva Biología Sintética. "La Biología Sintética es como armar una computadora a partir de las partes compradas", explicó durante un congreso el científico Jay Keasling, uno de los referentes de la nueva disciplina que reúne ingeniería, biología molecular, computación y química.
Por su parte, la empresa Amyris Biotechnologies, fundada por Keasling se instaló luego en Brasil para fabricar combustible a partir de biomasa, utilizando maíz o árboles con celulosa.
Este científico también se abocó a desarrollar junto con la empresa Gingko, una bacteria que convertiría el dióxido de carbono en gasolina. El proyecto cuyo fin sería obtener un paliativo al calentamiento global, recibió seis millones y medio de dólares de financiación de parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Por su parte, los biólogos emprendedores de Gingko anunciaron en su momento que contratarían a los mejores ingenieros, científicos y hackers.
El Premio Nobel de Física, Steven Chu trabajó durante años en los laboratorios de Biología Sintética de la Universidad de California antes de ser nombrado Secretario de Energía de Estados Unidos. En su momento, según lo revelado por la organización canadiense ETC, estos laboratorios habrían recibido quinientos millones de dólares de British Petroleum. Más tarde ha tomado público conocimiento el hecho de que la famosa bacteria artificial creada en mayo de 2010 por Craig Venter también recibió financiamiento de la misma empresa a través de la empresa Synthetics Genomics.
Emprendimientos innovadores de los propios científicos
La nueva Biología Sintética nos presenta la posibilidad de usar el ADN comprado en "laboratorios mayoristas" para crear nuevas formas de vida desde cero.
Muchos científicos están armando emprendimientos innovadores, ante tantos inversores interesados con capital disponible. Un caso ha sido el caso del biólogo argentino Gustavo Pesce que siendo investigador en el Molecular Sciences Institute, en California y fundó la empresa Green Pacific Biologicals para aplicar la Biología Sintética a temas de energía. Sostienen su emprendimiento inversores norteamericanos y chilenos, cuyo fin es el de desarrollar algas para obtener biocombustible a partir del dióxido de carbono que genera el calentamiento global.
Según la opinión de Pesce en su momento, la Argentina tendría grandes posibilidades de subirse a este tren, debido a los bajos costos de producción y las extensiones de tierra aptas para cultivos. Pero la burocracia, la inseguridad jurídica y la falta de una cultura de confianza entre el sector académico y el sector privado pueden jugarle en contra a una empresa que quiera instalarse en el país.
Primera plataforma secuenciadora de ADN de alto rendimiento en argentina
El Ministerio de Ciencia y Tecnología argentino se asoció con una empresa de 200 inversionistas agrícolas para fundar la empresa Indear en Rosario (Santa Fe), donde se instaló la primera plataforma secuenciadora de ADN de alto rendimiento del país. Su objetivo es dedicarse al merca- do de enzimas degradadoras de celulosa para obtener biocombustibles que rondará los veinte mil millones de dólares anuales en los próximos veinte años.
Indear es la empresa de investigación y desarrollo de Bioceres, nacida de una alianza entre Bioceres y el CONICET. Cuenta con las más avanzadas plataformas de investigación en agro-biotecnología de Latinoamérica.
Alberga en sus laboratorios a grupos de investigación altamente calificados en las áreas de genómica y bioinformática, biología molecular, Biología Sintética y estudio de proteínas.
Las áreas de I&D del Instituto se consolidan con una plataforma de cultivo de tejidos y transformación vegetal y con un grupo multidisciplinario focalizado en el desarrollo de tecnologías a campo.
La empresa concentra sus esfuerzos de investigación en tecnologías diseñadas para aumentar la productividad de los cultivos, incluyendo la tolerancia a la sequía y a la salinidad, la resistencia a plagas y a herbicidas, al uso eficiente de nutrientes y a la sanidad vegetal.
Estudiantes argentinos en iGEM
Estudiantes de grado de grado de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires (FCEN-UBA) publicaron a principios de año y por primera vez, un "paper" sobre Biología Sintética en el Journal of Synthetic Biology. El artículo "Co-cultivo de levaduras con alimentación cruzada sintética: modelo computacional de autorregulación y diseño de un dispositivo exportador de triptofano" es la culminación del trabajo del equipo compuesto por estudiantes de grado de Biología, Física, Química y Computación de la FCEN-UBA.
El grupo participó en el año 2012 en el evento "International Genetically Engineered Machine Competition" (iGEM), una importante competencia sobre Biología Sintética. Durante ocho meses el equipo "iGEM Buenos Aires" identificó un problema, propuso una solu- ción y la implementó en el laboratorio. Como resultado, se convirtieron en el primer grupo argentino que logró llegar a la final mundial de esta "olimpíada de Biología Sintética" y fueron premiados con una medalla de bronce.
Lo interesante de esto es que los estudiantes aprendieron los fundamentos de la disciplina en unos pocos meses y lograron con la publicación del artículo el reconocimiento tanto de sus pares como de la comunidad internacional, siendo que los miembros del equipo no eran investigadores formados y pudieron lograr estos resultados en pocos meses. Pues una ventaja de la Biología Sintética es la velocidad y facilidad de llevar a cabo proyectos complejos. Esto muestra que la Biología Sintética podría aumentar la capacidad biotecnológica de nuestro país de manera muy rápida.
Conclusiones
Construir ADN sintético es rápido y más barato que obtener organismos transgénicos, lo que llevará a la proliferación de formas artificiales de vida con impredecibles impactos en el medio ambiente y la diversidad.
El generar organismos artificiales y máquinas vivientes, exige definiciones que van más allá de la mera biotecnología. Por ejemplo: si hay que conferir el estatus de la vida a una nueva entidad basada en ADN y que se reproduce ó el cómo colocar límites a algo que empieza a evolucionar por sus propios medios.
Habría que cuestionarse si habría que vigilar a los científicos y/o a los países que desarrollan estas herramientas, así como definir quién sería el propietario de estas formas de vida sintética y quién lucrará con ellas.
También a nivel metafísico se generarán cuestionamientos con la creencia en una fuerza vital misteriosa detrás de la vida, cuando "la vida" sea creada a partir de "elementosnovivos".
La Unión Europea ha encomendado a un comité multidisciplinario que estudie el asunto para legislar sobre la materia y establecer reglas de juego y un código de conducta, para no permitir la síntesis de cualquier entidad, sea un virus que haya azotado a la inmunidad en el pasado o definiendo cómo se actuará ante bacterias incapaces de sobrevivir en el medio ambiente, evitando que se conviertan en armas biológicas.
El sintetizar un virus como el del Ébola en un laboratorio cuesta cinco mil dólares. Por lo tanto, los riesgos son altos debido al destino que les den las instituciones de defensa y las organizaciones que se dedican a conflictos bélicos.
El tema de bioseguridad es serio, pues no está exento de accidentes que pueden producirse si se libera un nuevo virus letal, fabricado por un científico entusiasta con las partes estándar que proveen las empresas. El solo hecho de acompañar la lista de invenciones que crean los estudiantes cada año para participar en la competencia mundial iGEM, nos demuestra que el potencial escape de un organismo sintético no es ficción.
La segunda fase se aplicó a la elaboración y desarrollo de una genómica sintética asociada a la fabricación de nuevos fármacos y producción de biocombustibles y alimentos genéticamente modificados.
Tercera fase: La Biología Sintética
En la tercera fase, la actual, se pretende la síntesis completa de genomas, incluso la creación de especies completamente nuevas.
Definición de la biología sintética
Se define a la Biología Sintética como el diseño y fabricación de componentes y sistemas biológicos que no existen en la naturaleza, así como a las técnicas que permiten introducir modificaciones en los diseños de los sistemas biológicos ya existentes. Siendo el objetivo final, la creación de nuevos organismos capaces de responder a determinados estímulos de una forma programada, controlada y confiable.
La aparición de la Biología Sintética marca el final de la evolución darwiniana tal y como la conocíamos. Pues mediante una intervención en los mecanismos reguladores naturales, podemos acceder a todo un universo de posibilidades, muchas de las cuales jamás habrían sido alcanzadas a través de la evolución natural.
A lo largo de las últimas décadas, el crecimiento acelerado de recursos y esfuerzos técnico-científicos, sumado al impacto de los últimos descubrimientos y sus implica-ciones socioeconómicas han colocado a la Biología en una posición dominante en el ámbito de las ciencias.
Los avances en el estudio del cáncer o el cerebro prometen modificar muchas de nuestras ideas y acercarnos al origen y tratamiento de enfermedades hasta ahora invencibles. Muchos de estos avances son el resultado de mejores técnicas experimentales, pero también del desarrollo de modelos teóricos y de simulación por computadora.
Ha sido la colaboración entre investigadores provenientes de distintas disciplinas, la que ha llevado al desarrollo de la llamada Biología de Sistemas, que es una disciplina en la que se considera la complejidad biológica en términos de sistemas en interacción.
En el terreno experimental, el desarrollo de la ingeniería genética y la posibilidad de manipular no reacciones o elementos concretos, sino células o procesos celulares complejos, han abierto la puerta a ésta otra disciplina - la Biología Sintética - que cambiará sin duda nuestro conocimiento de lo vivo y sus límites.
Esto se realiza mediante la introducción de secuencias de ADN que codifican nuevos genes, a menudo procedentes de otras especies distintas de aquella sobre la que se actúa.
Es muy probable que debamos esperar 10 o 15 años para que la Biología Sintética llegue a un nivel de desarrollo suficiente como para ser aplicada directamente en campos como el de la Biomedicina o en las aplicaciones de Biorremediación medioambiental. De lo que no cabe duda es que estamos asistiendo y participando activamente en una de las revoluciones científicas y tecnológicas que decidirán el curso del conocimiento futuro.
En el Cuadro I, los autores de "Presente y futuro de la Biología Sintética" Juan Macías y Ricard Solé, detallan una lista de algunas de las potenciales aplicaciones de la Biología Sintética en las que se está trabajando actualmente. Ver Cuadro I
En el Cuadro II los mismos autores detallan una lista de algunos de los avances más significativos de la última década. Ver Cuadro II
Tecnologías de Biología Sintética
Expansión del código genético
Los primeros pasos en el diseño de nuevas formas de vida consisten en el diseño de microorganismos que utilizan un código genético diferente al que actualmente emplean todas las formas de vida existentes en nuestro planeta. Mediante la introducción de nuevas unidades sintéticas en su ADN estos organismos poseerían proteínas sintéticas.
Circuitos genéticos
La activación de estos genes oscila entre los estados de encendido y apagado a medida que la señal se propaga por el circuito, produciendo a su vez oscilaciones periódicas en la concentración de las proteínas que codifican. La arquitectura de estos circuitos es cíclica y en ellos cada gen inhibe al siguiente y a su vez es inhibido por el anterior, razón por la cual a este tipo de circuitos se les denomina osciladores.
Genoma mínimo
El proceso para identificar el genoma mínimo de los microorganismos sintéticos se puede realizar a través de diversos métodos que van desde la identificación de genes esenciales por mutagénesis hasta el análisis de homología de secuencias génicas mediante herramientas bioinformáticas. Una tercera alternativa consiste en el estudio de sistemas biológicos que han experimentado de forma natural una reducción de su material genético.
Evolución dirigida
Es un método alternativo que no necesita de un conocimiento previo acerca de los detalles de la función del circuito. La evolución dirigida es un proceso que aprovecha la habilidad de las células para sobrevivir frente a una presión selectiva. Una de las técnicas que emplea esta estrategia es el denominado "DNA shuffling" o "molecular breeding".
Ingeniería genética in silico
La Biología Sintética tiene como objetivo la construcción de modelos que puedan predecir con precisión el cómo se comportaría el circuito genético en el interior de las células. Pero las células están sujetas a cambios constantes que incluyen el estrés del medio y las mutaciones genéticas que afectan su habilidad para crecer y propagarse. Las simulaciones realizadas mediante Ingeniería Genética in silico, deben tener en cuenta estas circunstancias para conferirle realismo a los modelos que se vayan creando. Las simulaciones por computadora son una herramienta básica de la Biología sintética, siempre y cuando se mantengan los principios de estandarización de los componentes del modelo y la optimización de los circuitos diseñados.
Campos de aplicación de La biología sintética
Biomedicina
La medicina será una de las áreas más beneficiadas de los avances en esta nueva disciplina, tanto las áreas de desarrollo de nuevos fármacos, la terapia génica, como la reparación y regeneración de tejidos y la reprogramación celular.
Fármacos
La idea es la creación de un fármaco compuesto por una envoltura sintética que contiene una molécula que al detectar un indicador concreto activa la liberación del fármaco. Su administración debería ser sencilla y sólo debería activarse cuando el paciente desarrollase la enfermedad.
Genómica personalizada
La Biología Sintética permitirá obtener un conocimiento más amplio de la complejidad de las enfermedades y por lo tanto, será posible desarrollar fármacos a la carta. Esto se realizará gracias a las tecnologías propias de este campo, como son la creación de circuitos genéticos y la ingeniería genética in silico.
Terapia genética
Consiste en el diseño y modificación del virus para transportar genes a tejidos concretos y conseguir la recombinación e integración de los mismos de forma eficiente en el genoma del paciente. Además del virus, también es posible el diseño de circuitos biológicos que detecten cambios fisiológicos anormales en las células y den lugar a una respuesta basada en la recombinación del gen anormal con su homólogo normal.
Reparación y regeneración de tejidos
Esta aplicación se basa en el diseño de sistemas moleculares formados por sensores capaces de reconocer la existencia de daños en determinados tejidos, unido a un grupo de enzimas capaces de reparar el daño.
Reprogramación celular
Las células madre pueden ser modificadas de modo que adquieran nuevas propiedades y posteriormente sean introducidas en pacientes para, por ejemplo, revertir una patología. Esta terapia podría ser de utilidad en la reprogramación del sistema inmune con el objeto de combatir enfermedades infecciosas.
Biosensores
Los dispositivos compactos de análisis, denominados Biosensores, se componen de un elemento capaz de reconocer e interaccionar con sustancias o microorganismos de interés y de un sistema electrónico que permite procesar la señal producida por esta interacción.
Energía
La producción de bioenergía mediante microorganismos sintéticos se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Existen tres campos de investigación principales a respecto de la producción de bioenergía mediante Biología Sintética, la producción de hidrógeno o etanol, la conversión eficiente de residuos en energía y la conversión de energía solar en hidrógeno.
Nuevos biomateriales
Los biomateriales son materiales farmacológicamente inertes, utilizados para ser incorporados o implantados dentro de un sistema vivo para reemplazar o restaurar alguna función, permaneciendo en contacto permanente o intermitente con los fluidos corporales.
Otros campos de aplicación es la Biorremediación que es el empleo de bacterias y hongos modificados como herramientas con el fin de eliminar compuestos tóxicos y no contaminar los ecosistemas. Así como los es también, el diseño de microorganismos capaces de extraer minerales de interés presentes incluso en bajas concentraciones (debido a la sobreexplotación de una mina o a la baja calidad de la misma) y la inserción de ácidos nucléicos no naturales en secuencias transgénicas que proporcionaría un mecanismo de control de estos organismos, ya que su presencia dependería exclusivamente del aporte de percusores de ácidos nucléicos no naturales, los cuales no se encuentran en la naturaleza.
El Mirel es un polihidroxibutirato (PHB) de extracción microbiana y presenta ventajas ambientales evidentes sobre la versión derivada del petróleo, pues libera nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Su fuente principal es el maíz que es un recurso renovable y sostenible. Este producto reemplazará al que se venía extrayendo de hidrocarburos fósiles. Por otro lado, las resinas Mirel son los únicos bioplásticos sin almidón acreditados por los organismos de certificación, en cuanto a su biodegradabilidad en suelos naturales y en el mar.
De los compuestos petroquímicos se obtiene también el 1,3-propanediol (PDO), que es el principal componente de la fibra Sorona para alfombras. Gracias a la Biología Sintética, se creó una cepa industrial de Escherichia coli con 26 cambios genéticos que convierte directamente la glucosa del maíz en PDO, en un tanque de fermentación.
Los organismos genéticamente manipulados (OGM) producen diesel, gasolina y combustible para aviones. Y actualmente se manipulan microorganismos con el fin de detectar la presencia de arsénico en el agua potable a unas concentraciones sumamente bajas.
El científico George Church de la Universidad Harvard, informó incluso que trabajaba en una nueva técnica que supuestamente podría devolver la vida a especies extinguidas cuyo genoma se conozca o pueda reconstruirse a partir de restos fósiles (como el Mamut Lanudo). Uno de los graves obstáculos para semejante proeza reside en la carencia de núcleos celulares intactos, lo que significa que no existe núcleo disponible para una clonación por transferencia nuclear.
Aunque se haya reconstruido la secuencia genómica del mamut y esté registrada en bases de datos, no se sabe cómo convertir una secuencia abstracta de letras en hebras de nucleótidos que conformen el genoma. Confían en el refinamiento de la técnica MAGE (Ingeniería del Genoma Múltiple Automatizado), una forma de versión acelerada y a escala industrial de la ingeniería genética.
Biobricks
Biobricks es una base de datos de "partes norma" de DNA que codifican para distintas funciones biológicas.
Usando las normas biológicas un biólogo sintético o un ingeniero sintético o un biohacker o cualquier persona, puede de cierta forma programar organismos vivos de la misma forma que un programador programa un software de computadora. Las secuencias de ADN, la información y otras características de las partes biologicas BioBrick se encuentran a disposición del público de forma gratuita a través del MIT's Registry of Standard Biological Parts (www.parts.igem.org). Cualquier persona o organización puede diseñar, mejorar y contribuir partes biológicas BioBrick.
El catalogo de partes biológicas incluye partes biológicas para: inverters, receivers and senders, dispositivos de medición, movimiento, quorum sensing, relojes biológicos, fotosensibilidad, etc.
Líneas de negocios aplicando la biología sintética
En el año 2011 era posible descifrar tres mil millones de pares de bases genéticas que conforman el genoma humano, invirtiendo diez mil dólares y en un periodo de apenas ocho días. Y en ese momento se había previsto que para el actual año sería posible realizarlo por un costo de mil dólares y en quince minutos. Además de la medicina genómica, la Biología Sintética proveerá nuevos combustibles y formas de descontaminar el ambiente, lo que representa un mercado que mueve miles de millones de dólares en la actualidad.
Insuflada por inversiones multimillonarias la Biología Sintética florece en lugares impensados. La empresa petrolera Exxon Mobil comprometió trescientos millones de dólares para producir algas que funcionen como combustible no contaminante. La empresa química Du Pont ya creó levaduras capaces de convertir el azúcar de los alimentos en bioplásticos. Por su parte, la empresa farmacéutica Kosan, adquirida por el laboratorio Glaxo Smith Kline, desarrolló un promisorio agente contra el cáncer con las herramientas de la Biología Sintética.
El científico Keasling es codirector del área de Biociencias del Laboratorio Lawrence Berkeley y sintetizó una levadura capaz de producir la droga artemisinina para la malaria en gran cantidad y con menores costos que la que se obtiene hoy de una planta. El laboratorio Sanofis-Aventis ya compró este exponente de la nueva Biología Sintética. "La Biología Sintética es como armar una computadora a partir de las partes compradas", explicó durante un congreso el científico Jay Keasling, uno de los referentes de la nueva disciplina que reúne ingeniería, biología molecular, computación y química.
Por su parte, la empresa Amyris Biotechnologies, fundada por Keasling se instaló luego en Brasil para fabricar combustible a partir de biomasa, utilizando maíz o árboles con celulosa.
Este científico también se abocó a desarrollar junto con la empresa Gingko, una bacteria que convertiría el dióxido de carbono en gasolina. El proyecto cuyo fin sería obtener un paliativo al calentamiento global, recibió seis millones y medio de dólares de financiación de parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Por su parte, los biólogos emprendedores de Gingko anunciaron en su momento que contratarían a los mejores ingenieros, científicos y hackers.
El Premio Nobel de Física, Steven Chu trabajó durante años en los laboratorios de Biología Sintética de la Universidad de California antes de ser nombrado Secretario de Energía de Estados Unidos. En su momento, según lo revelado por la organización canadiense ETC, estos laboratorios habrían recibido quinientos millones de dólares de British Petroleum. Más tarde ha tomado público conocimiento el hecho de que la famosa bacteria artificial creada en mayo de 2010 por Craig Venter también recibió financiamiento de la misma empresa a través de la empresa Synthetics Genomics.
Emprendimientos innovadores de los propios científicos
La nueva Biología Sintética nos presenta la posibilidad de usar el ADN comprado en "laboratorios mayoristas" para crear nuevas formas de vida desde cero.
Muchos científicos están armando emprendimientos innovadores, ante tantos inversores interesados con capital disponible. Un caso ha sido el caso del biólogo argentino Gustavo Pesce que siendo investigador en el Molecular Sciences Institute, en California y fundó la empresa Green Pacific Biologicals para aplicar la Biología Sintética a temas de energía. Sostienen su emprendimiento inversores norteamericanos y chilenos, cuyo fin es el de desarrollar algas para obtener biocombustible a partir del dióxido de carbono que genera el calentamiento global.
Según la opinión de Pesce en su momento, la Argentina tendría grandes posibilidades de subirse a este tren, debido a los bajos costos de producción y las extensiones de tierra aptas para cultivos. Pero la burocracia, la inseguridad jurídica y la falta de una cultura de confianza entre el sector académico y el sector privado pueden jugarle en contra a una empresa que quiera instalarse en el país.
Primera plataforma secuenciadora de ADN de alto rendimiento en argentina
El Ministerio de Ciencia y Tecnología argentino se asoció con una empresa de 200 inversionistas agrícolas para fundar la empresa Indear en Rosario (Santa Fe), donde se instaló la primera plataforma secuenciadora de ADN de alto rendimiento del país. Su objetivo es dedicarse al merca- do de enzimas degradadoras de celulosa para obtener biocombustibles que rondará los veinte mil millones de dólares anuales en los próximos veinte años.
Indear es la empresa de investigación y desarrollo de Bioceres, nacida de una alianza entre Bioceres y el CONICET. Cuenta con las más avanzadas plataformas de investigación en agro-biotecnología de Latinoamérica.
Alberga en sus laboratorios a grupos de investigación altamente calificados en las áreas de genómica y bioinformática, biología molecular, Biología Sintética y estudio de proteínas.
Las áreas de I&D del Instituto se consolidan con una plataforma de cultivo de tejidos y transformación vegetal y con un grupo multidisciplinario focalizado en el desarrollo de tecnologías a campo.
La empresa concentra sus esfuerzos de investigación en tecnologías diseñadas para aumentar la productividad de los cultivos, incluyendo la tolerancia a la sequía y a la salinidad, la resistencia a plagas y a herbicidas, al uso eficiente de nutrientes y a la sanidad vegetal.
Estudiantes argentinos en iGEM
Estudiantes de grado de grado de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires (FCEN-UBA) publicaron a principios de año y por primera vez, un "paper" sobre Biología Sintética en el Journal of Synthetic Biology. El artículo "Co-cultivo de levaduras con alimentación cruzada sintética: modelo computacional de autorregulación y diseño de un dispositivo exportador de triptofano" es la culminación del trabajo del equipo compuesto por estudiantes de grado de Biología, Física, Química y Computación de la FCEN-UBA.
El grupo participó en el año 2012 en el evento "International Genetically Engineered Machine Competition" (iGEM), una importante competencia sobre Biología Sintética. Durante ocho meses el equipo "iGEM Buenos Aires" identificó un problema, propuso una solu- ción y la implementó en el laboratorio. Como resultado, se convirtieron en el primer grupo argentino que logró llegar a la final mundial de esta "olimpíada de Biología Sintética" y fueron premiados con una medalla de bronce.
Lo interesante de esto es que los estudiantes aprendieron los fundamentos de la disciplina en unos pocos meses y lograron con la publicación del artículo el reconocimiento tanto de sus pares como de la comunidad internacional, siendo que los miembros del equipo no eran investigadores formados y pudieron lograr estos resultados en pocos meses. Pues una ventaja de la Biología Sintética es la velocidad y facilidad de llevar a cabo proyectos complejos. Esto muestra que la Biología Sintética podría aumentar la capacidad biotecnológica de nuestro país de manera muy rápida.
Conclusiones
Construir ADN sintético es rápido y más barato que obtener organismos transgénicos, lo que llevará a la proliferación de formas artificiales de vida con impredecibles impactos en el medio ambiente y la diversidad.
El generar organismos artificiales y máquinas vivientes, exige definiciones que van más allá de la mera biotecnología. Por ejemplo: si hay que conferir el estatus de la vida a una nueva entidad basada en ADN y que se reproduce ó el cómo colocar límites a algo que empieza a evolucionar por sus propios medios.
Habría que cuestionarse si habría que vigilar a los científicos y/o a los países que desarrollan estas herramientas, así como definir quién sería el propietario de estas formas de vida sintética y quién lucrará con ellas.
También a nivel metafísico se generarán cuestionamientos con la creencia en una fuerza vital misteriosa detrás de la vida, cuando "la vida" sea creada a partir de "elementosnovivos".
La Unión Europea ha encomendado a un comité multidisciplinario que estudie el asunto para legislar sobre la materia y establecer reglas de juego y un código de conducta, para no permitir la síntesis de cualquier entidad, sea un virus que haya azotado a la inmunidad en el pasado o definiendo cómo se actuará ante bacterias incapaces de sobrevivir en el medio ambiente, evitando que se conviertan en armas biológicas.
El sintetizar un virus como el del Ébola en un laboratorio cuesta cinco mil dólares. Por lo tanto, los riesgos son altos debido al destino que les den las instituciones de defensa y las organizaciones que se dedican a conflictos bélicos.
El tema de bioseguridad es serio, pues no está exento de accidentes que pueden producirse si se libera un nuevo virus letal, fabricado por un científico entusiasta con las partes estándar que proveen las empresas. El solo hecho de acompañar la lista de invenciones que crean los estudiantes cada año para participar en la competencia mundial iGEM, nos demuestra que el potencial escape de un organismo sintético no es ficción.
Referencias
Regenesis: How Synthetic Biology will reinvent nature and ourselves - George Church y Ed Regis (2012) Presente y futuro de la Biología Sintética – Javier Macía y Ricard Solé - Universitat
Pompeu Fabra - Fundación General CSIC Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva: www.mincyt.gob.ar
La Nación: www.lanacion.com.ar
Wikipedia: www.wikipedia.com
Indear: www.indear.com.ar
IGEM: www.igem.org
Impresión 4D TED Talk
Clic en la imagen
Video realizado por TED (ted.com bajo licencia Creative Commons), en el cual se habla acerca de la impresión 4D, una forma de diseñar y construir en la cual se automatizan los ensambles y el armado de los productos en cuestión en tiempo real.
Fuente: Gary Gutiérrez
Nuevos Procedimientos y Técnicas de Exploración Geofísica Tecnología Petrolera
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| Fig. 1. El intervalo de observación entre el fogonazo y la percepción del sonido del disparo de un cañón está relacionado con la velocidad del sonido, 300 metros/seg., y, por tanto, el observador puede estimar la distancia a la cual se encuentra el cañón. |
Originalmente, la propagación intencional de ondas sísmicas en la corteza terrestre se hacía mediante la detonación de cartuchos de dinamita que se explotaban en hoyos someros ubicados y abiertos para tales propósitos. Adquirir, transportar y custodiar dinamita para tales trabajos requería cumplir con una variedad de tramitaciones ante las autoridades venezolanas, además de las medidas de seguridad durante el uso en el campo. Las detonaciones espantaban a la fauna terrestre y cuando se hacían levantamientos sísmicos en aguas, las detonaciones ocasionaban la muerte de muchos peces.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el auge inusitado en la exploración petrolera promovió a lo largo de los años adelantos e innovaciones en las operaciones de campo.
Fue eliminada la dinamita y en su lugar se desarrolló la pistola para detonar aire comprimido y se fabricó, como parte integral de los nuevos vehículos automotores para trabajos de sismografía, un potente pisón que al caer sobre la superficie terrestre induce las ondas para determinar después la profundidad de las formaciones, mediante las relaciones tiempo, velocidad del sonido y características/propiedades de las rocas. (Ver Figuras 1 y 2).
Los nuevos equipos y técnicas de sismografía han sido rediseñados y han mejorado significativamente la adquisición, el procesamiento y la interpretación de datos, haciendo que el factor tiempo y la calidad total de las tareas sean más efectivas, desde el comienzo del levantamiento hasta el informe final de los resultados.
La electrónica y la computación, con su casi ilimitada capacidad de procesamiento de datos, permite que los resultados de los levantamientos sísmicos se tengan en muchísimo menor tiempo que lo acostumbrado en años atrás, cuando geofísicos, geólogos e ingenieros requerían meses cotejando, verificando, correlacionando y ajustando datos utilizando la regla de cálculo o calculadoras mecánicas manuales para luego elaborar los planos o mapas del subsuelo de las áreas estudiadas. Además, la nueva tecnología ha permitido reestudiar y reinterpretar información sismográfica antigua de áreas que en el pasado no fueron catalogadas como atractivas y, en muchos casos, los nuevos resultados han sido sorprendentes.
Otra contribución técnica de nitidez y rapidez es la elaboración en blanco y negro o a color de los planos o mapas del subsuelo mediante las procesadoras o copiadoras electrónicas programadas específicamente para tales labores. Anteriormente este proceso requería dibujantes especializados y la preparación de los dibujos a color requería mucho más tiempo. Hoy, la diferencia en productividad es notable.
La idea de sobreponer información de los registros o perfiles petrofísicos a los datos sismográficos de los levantamientos o a la sísmica adquiridos específicamente en un pozo amplió la cobertura de correlación. Los resultados de esta técnica han sido fructíferos, mediante la aplicación de procesos y programas computarizados.
Sin embargo, es oportuno mencionar que todas las técnicas y herramientas de exploración en la búsqueda de acumulaciones de hidrocarburos (reservas) no son infalibles.
La interpretación de los datos y de los resultados obtenidos conducen a predecir el grado de probabilidad (alto, medio, bajo) de las condiciones y características del subsuelo conducentes a la existencia de acumulaciones comerciales de hidrocarburos. En la industria existe un dicho que decisivamente abarca todas las expectativas y es: "La barrena dirá".
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| Fig. 2. La detección del tiempo transcurrido, desde que el sonido inducido en la superficie hace su recorrido hacia los estratos y regresa luego a la superficie, es un aspecto básico para estimar la profundidad de los estratos. La propagación del sonido en los estratos depende de la composición y características de éstos. |
Los nuevos equipos y técnicas de sismografía han sido rediseñados y han mejorado significativamente la adquisición, el procesamiento y la interpretación de datos, haciendo que el factor tiempo y la calidad total de las tareas sean más efectivas, desde el comienzo del levantamiento hasta el informe final de los resultados.
La electrónica y la computación, con su casi ilimitada capacidad de procesamiento de datos, permite que los resultados de los levantamientos sísmicos se tengan en muchísimo menor tiempo que lo acostumbrado en años atrás, cuando geofísicos, geólogos e ingenieros requerían meses cotejando, verificando, correlacionando y ajustando datos utilizando la regla de cálculo o calculadoras mecánicas manuales para luego elaborar los planos o mapas del subsuelo de las áreas estudiadas. Además, la nueva tecnología ha permitido reestudiar y reinterpretar información sismográfica antigua de áreas que en el pasado no fueron catalogadas como atractivas y, en muchos casos, los nuevos resultados han sido sorprendentes.
Otra contribución técnica de nitidez y rapidez es la elaboración en blanco y negro o a color de los planos o mapas del subsuelo mediante las procesadoras o copiadoras electrónicas programadas específicamente para tales labores. Anteriormente este proceso requería dibujantes especializados y la preparación de los dibujos a color requería mucho más tiempo. Hoy, la diferencia en productividad es notable.
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| Fig. 3. Muestra de una sección sísmica levantada y procesada |
La idea de sobreponer información de los registros o perfiles petrofísicos a los datos sismográficos de los levantamientos o a la sísmica adquiridos específicamente en un pozo amplió la cobertura de correlación. Los resultados de esta técnica han sido fructíferos, mediante la aplicación de procesos y programas computarizados.
Sin embargo, es oportuno mencionar que todas las técnicas y herramientas de exploración en la búsqueda de acumulaciones de hidrocarburos (reservas) no son infalibles.
La interpretación de los datos y de los resultados obtenidos conducen a predecir el grado de probabilidad (alto, medio, bajo) de las condiciones y características del subsuelo conducentes a la existencia de acumulaciones comerciales de hidrocarburos. En la industria existe un dicho que decisivamente abarca todas las expectativas y es: "La barrena dirá".
Fuente: "El Pozo Ilustrado" - FONCIED
Prevención vs Descontaminación Control de la calidad microbiológica
Seguridad desde la filtración hasta la incubación
Para obtener la más alta calidad en un producto final, no alcanza con cumplir todas las normas y reglamentos pertinentes, el control de calidad no puede limitarse exclusivamente a dicho producto final, sino que además deben someterse a una supervisión continua no solo las materias primas utilizadas, sino todo el proceso de producción. Con este fin, en la industria farmacéutica se efectúa un análisis de los riesgos inherentes a cada paso de producción individual, cuyos resultados se emplean para definir los controles a implementar en el proceso. Esto permite detectar a tiempo, es decir, ya durante la producción, las variaciones de la carga microbiológica, especialmente los aumentos de la misma, y aplicar las medidas correctoras correspondientes.
Aunque el riesgo de contaminación se ha reducido considerablemente gracias a las normas higiénicas y a las buenas prácticas de fabricación (GMP) aplicadas en las fases de producción, descontaminación y esterilización de los productos finales, el control de calidad de éstos sigue teniendo una importancia fundamental.
Recuento de gérmenes
El recuento de gérmenes consiste en el análisis cuantitativo de microorganismos. Se puede contar el número total de gérmenes o el de las especies de microorganismos relevantes para cada producto. Diferentes sectores industriales (farmacéutico, bebidas, aguas residuales, etc.) han establecido límites máximos de microorganismos para diferentes productos. Para verificar la calidad de innumerables productos, desde agua potable hasta productos farmacéuticos, es esen-cial que los resultados de las pruebas de homologación o certificación sean absolutamente precisos y fiables, dados los posibles efectos adversos que los agentes patógenos pueden tener en la salud de los consumidores.
Filtración por membrana
Para el recuento de gérmenes, la filtración por membrana sigue siendo el método preferente para cuantificar de forma fiable los microorganismos presentes en muestras líquidas. Este método consiste en concentrar gérmenes de muestras relativamente grandes sobre la superficie de un filtro de membrana y en su posterior cultivo, se coloca dicho filtro con los gérmenes retenidos en un medio nutriente.
A diferencia de la incubación directa de una muestra, la filtración por membrana tiene la ventaja de permitir a la vez la comprobación de muestras voluminosas y la detección de microorganismos individuales. También permite eliminar sustancias inhibidoras, como antibióticos y conservantes, mediante el lavado de la membrana con tampones, para no impedir el crecimiento de gérmenes individuales.
Análisis microbiológicos en la industria farmacéutica
Desde el punto de vista microbiológico, los productos farmacéuticos pueden dividirse en dos categorías: productos estériles y no estériles. En ambas categorías es necesario eliminar o minimizar el riesgo que para la salud de los pacientes plantean los microorganismos y sus toxinas. Pero al mismo tiempo deben garantizarse la calidad y la efectividad del producto.
Los productos definidos como estériles (colirios, soluciones salinas, antibióticos, etc.) deben comprobarse en cuanto a esterilidad (Capítulo 71 de la USP y Capítulo de la EP) y, tras su control, confirmarse como libres de gérmenes mediante la correspondiente prueba de esterilidad. Por el contrario, los productos finales no estériles deben comprobarse en cuanto al número de gérmenes mediante la prueba "MLT" (en inglés "Microbial Limit Test", según el Capítulo 61 de la USP y el Capítulo 2.6.12 de la EP). Por supuesto, durante los procesos de fabricación en la industria farmacéutica también se efectúan controles de calidad microbiológicos sobre las materias primas (casi siempre agua) y los llamados análisis de biocarga (en inglés, "bioburden").
Pasos críticos del recuento de gérmenes
La configuración clásica de una filtración por membrana consiste en una bomba de vacío, un listón de aspiración, filtros de membrana, embudos o unidades de filtración, medios de cultivo y pinzas.
En este método, habitualmente se flamea o se desinfecta el soporte del filtro y se coloca un filtro de membrana, también un embudo a través del cual se vierte la muestra, que seguidamente se filtra aplicando vacío. A continuación, el filtro de membrana se coloca con ayuda de unas pinzas en un agar de cultivo y se incuba en la incubadora durante un tiempo predefinido y a una temperatura dada. La evaluación se efectúa después del periodo de incubación, contando las unidades formadoras de colonias (UFC) y comparando los resultados con los valores límite permitidos para cada muestra.
El flameado o la desinfección del soporte del filtro conlleva un riesgo adicional de contaminación por las posibles imprecisiones en su aplicación. Es extremadamente importante cumplir el tiempo de incubación para que el desinfectante pueda desplegar totalmente su efecto, elegir el desinfectante adecuado (deber ser esporicida y no sólo bactericida) y cambiarlo periódicamente. Aparte del riesgo para el personal de laboratorio, el flameado también conlleva el riesgo de que la llama no se aplique sobre los puntos contaminados con su punto más caliente o durante el tiempo suficiente.
Reducción de contaminaciones secundarias
Estos pasos de descontaminación se pueden omitir completamente cuando se utilicen unidades de filtración desechables, siempre que también se emplee una base de apoyo desechable. Por lo tanto, solo queda la transferencia del filtro de membrana sobre el medio de agar como paso especialmente crítico que aumenta el riesgo de contaminación secundaria y puede producir falsos positivos en los resultados. Esto se debe a la utilización de pinzas para transferir la membrana. Aunque también las pinzas son flameadas o esterilizados, su empleo sigue siendo un factor de riesgo, dada la posibilidad de que transmitan gérmenes al filtro de membrana y lo contaminen.
Los productos de la familia Microsart de Sartorius aumentan la seguridad y la eficiencia del control de la calidad microbiológica al hacer innecesaria tanto la desinfección o el flameado del soporte del filtro como la utilización de pinzas para transferir la membrana al medio de cultivo.
Este sistema incluye las unidades de filtración Microsart @filter y los platillos de nutrientes Microsart @media. Microsart @filter es una combinación estéril y lista para usar compuesta por un embudo, una base de filtración y un filtro de membrana. Para filtrar directamente la muestra basta con colocar la unidad de filtración en el listón de acero fino. Seguidamente, el embudo puede retirarse fácilmente de la base de apoyo mediante un cierre "Klick-Fit". Esta unidad de filtración hace innecesario el paso crítico de descontaminación de la base de acero fino.
Microsart @media son platillos de medios de agar que permiten determinar los límites microbianos mediante "tests de límites microbianos". Contienen diferentes medios de cultivo de agar envasados de forma estéril. En combinación con las unidades de filtración Microsart @filter, están listos para ser usados inmediatamente. Se caracterizan por una innovadora tapa patentada que garantiza una transferencia de la membrana al agar sin contacto y sin necesidad de pinzas. Con ayuda de esta tapa, el filtro de membrana se retira de la base de la unidad de filtración y se coloca sobre el agar. La incubación puede comenzar nada más con cerrar el platillo del medio de cultivo.
Solución perfecta para la transferencia segura de la membrana
La combinación de platillos de medios de agar Microsart @media con unidades de filtración Microsart @filter representa un concepto totalmente nuevo para la transferencia entre membrana y agar. El desarrollo de ambos productos se realizó de forma coordinada. La tapa activa de Microsart @media ha sido diseñada específicamente para la base de Microsart @filter. Este nuevo sistema aporta un flujo de trabajo ergonómico y rápido, reduciendo a unos pocos pasos el proceso entre el muestreo y la incubación. Al mismo tiempo, la transferencia sin contacto de la membrana permite obtener resultados todavía más fiables durante el análisis y reducir al mínimo absoluto el riesgo de contaminación secundaria.
Contacto:
Dr. Jasmin Grigat Product Manager Microbiology Lab Products & Services Sartorius Stedim Biotech GmbH
Esta nota ha sido desarrollada por Sartorius
El recuento de gérmenes consiste en el análisis cuantitativo de microorganismos. Se puede contar el número total de gérmenes o el de las especies de microorganismos relevantes para cada producto. Diferentes sectores industriales (farmacéutico, bebidas, aguas residuales, etc.) han establecido límites máximos de microorganismos para diferentes productos. Para verificar la calidad de innumerables productos, desde agua potable hasta productos farmacéuticos, es esen-cial que los resultados de las pruebas de homologación o certificación sean absolutamente precisos y fiables, dados los posibles efectos adversos que los agentes patógenos pueden tener en la salud de los consumidores.
Filtración por membrana
Para el recuento de gérmenes, la filtración por membrana sigue siendo el método preferente para cuantificar de forma fiable los microorganismos presentes en muestras líquidas. Este método consiste en concentrar gérmenes de muestras relativamente grandes sobre la superficie de un filtro de membrana y en su posterior cultivo, se coloca dicho filtro con los gérmenes retenidos en un medio nutriente.
A diferencia de la incubación directa de una muestra, la filtración por membrana tiene la ventaja de permitir a la vez la comprobación de muestras voluminosas y la detección de microorganismos individuales. También permite eliminar sustancias inhibidoras, como antibióticos y conservantes, mediante el lavado de la membrana con tampones, para no impedir el crecimiento de gérmenes individuales.
Análisis microbiológicos en la industria farmacéutica
Desde el punto de vista microbiológico, los productos farmacéuticos pueden dividirse en dos categorías: productos estériles y no estériles. En ambas categorías es necesario eliminar o minimizar el riesgo que para la salud de los pacientes plantean los microorganismos y sus toxinas. Pero al mismo tiempo deben garantizarse la calidad y la efectividad del producto.
Los productos definidos como estériles (colirios, soluciones salinas, antibióticos, etc.) deben comprobarse en cuanto a esterilidad (Capítulo 71 de la USP y Capítulo de la EP) y, tras su control, confirmarse como libres de gérmenes mediante la correspondiente prueba de esterilidad. Por el contrario, los productos finales no estériles deben comprobarse en cuanto al número de gérmenes mediante la prueba "MLT" (en inglés "Microbial Limit Test", según el Capítulo 61 de la USP y el Capítulo 2.6.12 de la EP). Por supuesto, durante los procesos de fabricación en la industria farmacéutica también se efectúan controles de calidad microbiológicos sobre las materias primas (casi siempre agua) y los llamados análisis de biocarga (en inglés, "bioburden").
Pasos críticos del recuento de gérmenes
La configuración clásica de una filtración por membrana consiste en una bomba de vacío, un listón de aspiración, filtros de membrana, embudos o unidades de filtración, medios de cultivo y pinzas.
En este método, habitualmente se flamea o se desinfecta el soporte del filtro y se coloca un filtro de membrana, también un embudo a través del cual se vierte la muestra, que seguidamente se filtra aplicando vacío. A continuación, el filtro de membrana se coloca con ayuda de unas pinzas en un agar de cultivo y se incuba en la incubadora durante un tiempo predefinido y a una temperatura dada. La evaluación se efectúa después del periodo de incubación, contando las unidades formadoras de colonias (UFC) y comparando los resultados con los valores límite permitidos para cada muestra.
El flameado o la desinfección del soporte del filtro conlleva un riesgo adicional de contaminación por las posibles imprecisiones en su aplicación. Es extremadamente importante cumplir el tiempo de incubación para que el desinfectante pueda desplegar totalmente su efecto, elegir el desinfectante adecuado (deber ser esporicida y no sólo bactericida) y cambiarlo periódicamente. Aparte del riesgo para el personal de laboratorio, el flameado también conlleva el riesgo de que la llama no se aplique sobre los puntos contaminados con su punto más caliente o durante el tiempo suficiente.
Reducción de contaminaciones secundarias
Estos pasos de descontaminación se pueden omitir completamente cuando se utilicen unidades de filtración desechables, siempre que también se emplee una base de apoyo desechable. Por lo tanto, solo queda la transferencia del filtro de membrana sobre el medio de agar como paso especialmente crítico que aumenta el riesgo de contaminación secundaria y puede producir falsos positivos en los resultados. Esto se debe a la utilización de pinzas para transferir la membrana. Aunque también las pinzas son flameadas o esterilizados, su empleo sigue siendo un factor de riesgo, dada la posibilidad de que transmitan gérmenes al filtro de membrana y lo contaminen.
Los productos de la familia Microsart de Sartorius aumentan la seguridad y la eficiencia del control de la calidad microbiológica al hacer innecesaria tanto la desinfección o el flameado del soporte del filtro como la utilización de pinzas para transferir la membrana al medio de cultivo.
Este sistema incluye las unidades de filtración Microsart @filter y los platillos de nutrientes Microsart @media. Microsart @filter es una combinación estéril y lista para usar compuesta por un embudo, una base de filtración y un filtro de membrana. Para filtrar directamente la muestra basta con colocar la unidad de filtración en el listón de acero fino. Seguidamente, el embudo puede retirarse fácilmente de la base de apoyo mediante un cierre "Klick-Fit". Esta unidad de filtración hace innecesario el paso crítico de descontaminación de la base de acero fino.
Microsart @media son platillos de medios de agar que permiten determinar los límites microbianos mediante "tests de límites microbianos". Contienen diferentes medios de cultivo de agar envasados de forma estéril. En combinación con las unidades de filtración Microsart @filter, están listos para ser usados inmediatamente. Se caracterizan por una innovadora tapa patentada que garantiza una transferencia de la membrana al agar sin contacto y sin necesidad de pinzas. Con ayuda de esta tapa, el filtro de membrana se retira de la base de la unidad de filtración y se coloca sobre el agar. La incubación puede comenzar nada más con cerrar el platillo del medio de cultivo.
Solución perfecta para la transferencia segura de la membrana
La combinación de platillos de medios de agar Microsart @media con unidades de filtración Microsart @filter representa un concepto totalmente nuevo para la transferencia entre membrana y agar. El desarrollo de ambos productos se realizó de forma coordinada. La tapa activa de Microsart @media ha sido diseñada específicamente para la base de Microsart @filter. Este nuevo sistema aporta un flujo de trabajo ergonómico y rápido, reduciendo a unos pocos pasos el proceso entre el muestreo y la incubación. Al mismo tiempo, la transferencia sin contacto de la membrana permite obtener resultados todavía más fiables durante el análisis y reducir al mínimo absoluto el riesgo de contaminación secundaria.
Contacto:
Dr. Jasmin Grigat Product Manager Microbiology Lab Products & Services Sartorius Stedim Biotech GmbH
Esta nota ha sido desarrollada por Sartorius
Sartorius Argentina S.A.
Int. A. Ávalos 4251 (B1605ECS) Munro - Buenos Aires
Tel.: (54-11) 4721-0505
Fax: (54-11) 4762-2333
sartorius.arg@sartorius.com target="_blank"
www.sartorius.com/es target="_blank"
Finlandia Reforma su Sistema Educativo Estudio por temas en lugar de por asignaturas
Finlandia encara una nueva reforma de su sistema educativo, en la búsqueda de mejora continua a través de la innovación.
El nuevo paradigma educativo implica un proceso de cambio que consiste en la eliminación gradual de la enseñanza por asignaturas, hasta el año 2020, para dar lugar a la enseñanza por temas. Llevado a la práctica este nuevo aprendizaje, permitiría a los alumnos desarrollar un tema en particular que implique el manejo de conocimientos de química, física, mátemáticas u otra asignatura en particular, según sea el caso.
Distilling Pure Anhydrous Ammonia Applied Science
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I have a few upcoming projects that require anhydrous ammonia. In this video, I show how to distill it from "ammonia water" similar to common glass cleaner.
Fuente: Applied Science
Light Absorption Properties and Radiative Effects of Primary Organic Aerosol Emissions
Light Absorption Properties and Radiative Effects of Primary Organic Aerosol Emissions
Zifeng Lu, David G. Streets, Ekbordin Winijkul, Fang Yan, Yanju Chen, Tami C. Bond, Yan Feng, Manvendra K. Dubey, Shang Liu, Joseph P. Pinto, and Gregory R. Carmichael
Environmental Science & Technology Article ASAP
DOI: 10.1021/acs.est.5b00211
Zifeng Lu, David G. Streets, Ekbordin Winijkul, Fang Yan, Yanju Chen, Tami C. Bond, Yan Feng, Manvendra K. Dubey, Shang Liu, Joseph P. Pinto, and Gregory R. Carmichael
Environmental Science & Technology Article ASAP
DOI: 10.1021/acs.est.5b00211
Organic aerosols (OAs) in the atmosphere affect Earth’s energy budget by not only scattering but also absorbing solar radiation due to the presence of the so-called “brown carbon” (BrC) component.
However, the absorptivities of OAs are not represented or are poorly represented in current climate and chemical transport models. In this study, we provide a method to constrain the BrC absorptivity at the emission inventory level using recent laboratory and field observations.
We review available measurements of the light-absorbing primary OA (POA), and quantify the wavelength-dependent imaginary refractive indices (kOA, the fundamental optical parameter determining the particle’s absorptivity) and their uncertainties for the bulk POA emitted from biomass/biofuel, lignite, propane, and oil combustion sources. In particular, we parametrize the kOA of biomass/biofuel combustion sources as a function of the black carbon (BC)-to-OA ratio, indicating that the absorptive properties of POA depend strongly on burning conditions.
The derived fuel-type-based kOA profiles are incorporated into a global carbonaceous aerosol emission inventory, and the integrated kOA values of sectoral and total POA emissions are presented. Results of a simple radiative transfer model show that the POA absorptivity warms the atmosphere significantly and leads to ∼27% reduction in the amount of the net global average POA cooling compared to results from the nonabsorbing assumption.
We review available measurements of the light-absorbing primary OA (POA), and quantify the wavelength-dependent imaginary refractive indices (kOA, the fundamental optical parameter determining the particle’s absorptivity) and their uncertainties for the bulk POA emitted from biomass/biofuel, lignite, propane, and oil combustion sources. In particular, we parametrize the kOA of biomass/biofuel combustion sources as a function of the black carbon (BC)-to-OA ratio, indicating that the absorptive properties of POA depend strongly on burning conditions.
The derived fuel-type-based kOA profiles are incorporated into a global carbonaceous aerosol emission inventory, and the integrated kOA values of sectoral and total POA emissions are presented. Results of a simple radiative transfer model show that the POA absorptivity warms the atmosphere significantly and leads to ∼27% reduction in the amount of the net global average POA cooling compared to results from the nonabsorbing assumption.
| Ver más: | ACS |
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Motor V-12 naval a inyección de aire comprimido
Pequeña gran obra artesanal
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Motor V-12 naval de inyección de aire comprimido construido a mano de forma artesanal.
Quizás sea el motor más pequeño del mundo de esta modalidad. Tiene 12 cm3 de cilindrada, el diámetro de los cilindros es de 11,3 mm y la carrera de los pistones es de 10 mm. Funciona con tan sólo 0,1 Kg/cm2. Está construido con acero inoxidable, aluminio y bronce. Patelo dedica este motor a sus 4 nietos mayores: Sara, Carmen, José y Pablo.
Este motor está pensado para la enseñanza, para exposiciones etc. por eso funciona con aire comprimido, para no contaminar el ambiente. El diseño de los planos y la construcción del motor los ha hecho Patelo, al igual que todas las piezas (excepto los tornillos).
Este motor está pensado para la enseñanza, para exposiciones etc. por eso funciona con aire comprimido, para no contaminar el ambiente. El diseño de los planos y la construcción del motor los ha hecho Patelo, al igual que todas las piezas (excepto los tornillos).
Fuente: Motores Patelo
Etanol en una Célula a combustible de óxido sólido Fiuza, da Silva, Pontes, Teixeira y Boaventura
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| Esquema de una pila SOFC |
| Autores | Raigenis da Paz Fiuza Marcos Aurélio da Silva Luiz Antônio Magalhães Pontes Leonardo Sena Gomes Teixeira Jaime Soares Boaventura Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Rua Prof. Aristides Novis, 2, 40210-630 Salvador - BA, Brasil |
Contacto
e-mail: bventura@ufba.br
A nivel mundial tanto los gobiernos, como las empresas privadas e instituciones de investigación y desarrollo, están buscando desarrollar y hacer viable de forma técnica y comercial, fuentes alternativas de generación de energía con el fin de garantizar su oferta y la sustentabilidad ambiental para las próximas décadas. (1-4)
Con el objetivo de reducir el consumo de combustibles fósiles, se tomaron varias medidas en Brasil, como es el caso de los programas brasileños de biocombustibles a través del uso del biodiesel (5-8) y del bioetanol. (9) Ambos contribuyen a la reducción de las emisiones de gases de efecto estufa y al mismo tiempo a disminuir la dependencia de los derivados de petróleo. (10) Medidas similares fueron observadas en otros países, buscando principalmente la diversificación de su matriz energética. (1,11) La Comunidad Europea, por ejemplo, ha desarrollado una fuerte campaña para el uso de la energía eólica y la producción de biodiesel; (12-14) en los EEUU se verifica un estímulo a la producción del bioetanol, (15) entre otras iniciativas importantes. En este contexto se inserta la tecnología basada en el hidrógeno y las células a combustible. Muchos países han realizado grandes inversiones en el desarrollo de tecnologías de células a combustible, tales como el centro de Forschungszentrum Jülich GmbH (Jülich Research Centre) en Alemania y el Departamento de Energía (DoE) de los EEUU, además de iniciativas importantes en muchos otros países. (16) En Brasil las células a combustible demostraron tal importancia estratégica para la matriz de la energía nacional que justificó la creación del Programa de Células a Combustible (PROCAC). El PROCAC fue creado en el año 2004 dentro de las acciones realizadas en el ámbito de la economía del hidrógeno por el Ministerio de Ciencia y Tecnología. Este programa tuvo como objetivo estimular el desarrollo de la tecnología nacional de células a combustible y la formación de recursos humanos en el área. (17)
Las células a combustible son dispositivos eficientes para la conversión electroquímica de un combustible a energía eléctrica; (18,19) pudiendo substituir algunos de los generadores convencionales de producción de energía. (20)
En la célula a combustible, la energía química de un combustible es convertida directamente en energía eléctrica sin los límites termodinámicos de las máquinas térmicas, (20) pudiendo alcanzar la eficiencia en alrededor del 80%. (19) Entre los diversos tipos de células, la célula a combustible de óxido sólido (PACOS) o, como es más conocida en la literatura internacional Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), se ha destacado ampliamente. Debido a la elevada temperatura de operación (500-1000°C), la SOFC ofrece gran flexibilidad en el uso de combustibles, pudiendo usar tanto el hidrógeno como el gas natural y los derivados de biomasa, (21) como el bioetanol. (22) En el caso del uso de gas natural o bioetanol se puede hacer tanto el proceso de reforma previa del combustible (transformación previa del combustible en hidrógeno) como alimentarlo directamente en la célula. El uso del etanol en SOFCs es muy relevante para el país, en función del programa nacional del bioetanol, con una red de distribución bien consolidada. Considerándose los serios riesgos en la logística de almacenamiento y transporte del hidrógeno (23-25), el uso del bioetanol representaría una alternativa importante rumbo a volver una realidad desde el punto de vista técnico y económico a las SOFCs, además de ser una estrategia adecuada para la generación de energía aliada a la sustentabilidad. (26)
El uso del etanol en SOFC asocia dos ventajas principales: la producción de energía eléctrica con una elevada eficiencia de la SOFC y al origen renovable y sustentable del etanol. Estas ventajas pueden ser concretizadas, pues la viabilidad técnica en la utilización del etanol en SOFC ya fue comprobada en estudios experimentales, (27-30) así como por modelos matemáticos y termodinámicos. (31-33) Sin embargo, aún existen algunos impedimentos tecnológicos para la aplicación práctica de la SOFC. El principal impedimento es la elevada deposición de carbono promovida por el electro-catalizador anódico, (34) sea la célula alimentada con etanol puro o las mezclas de etanol y agua, al ser alimentado directamente en el ánodo de la célula. Otro problema es la formación del carbono durante la producción de hidrógeno para las células que utilicen un reformador externo de etanol. (35)
El objetivo de este trabajo fue identificar y discutir los aspectos técnicos relacionados a la utilización del etanol como combustible, en las células a combustible de óxido sólido. Para eso, se destacaron los principales estudios teóricos y experimentales, las principales configuraciones de las células y las reacciones de transformación del etanol para alimentarlas.
Tipos de configuraciones de SOFC
Los tipos de configuraciones de SOFC generalmente se relacionan a la alimentación del combustible. La SOFC puede operar en tres diferentes tipos de configuraciones: operación con reformador externo; reformador interno indirecto (IIR-SOFC) y reformador interno directo (DIR-SOFC).
Debido a la operación a altas temperaturas de las SOFCs (500-1000ºC), el etanol puede ser reformado a hidrógeno en la propia célula. Esta técnica es conocida como SOFC con Reforma Interna (IR-SOFC), donde se aprovecha el calor de la operación de las células para reformar el combustible, presentando una ga nancia global en la eficiencia. (36,37) La IR-SOFC puede ser dividida en dos tipos: Reforma Interna Indirecta (IIR- SOFC) y Reforma Interna Directa (DIR- SOFC). En el primer caso (IIR-SOFC) el combustible es alimentado en la sección de reforma que está físicamente separada de los dispositivos de la célula, localizado de forma próxima al ánodo de la célula a combustible, conforme mostrado en la Figura 1. En este tipo de configuración, el reformador de combustible y la célula son mantenidos aproximadamente a la misma temperatura envueltos por una caja aislante. En la Figura 1 se muestra un esquema de una SOFC con reformador interno de etanol exclusivo para la célula, en el que la mezcla de etanol y agua (o etanol puro) se transforma en hidrógeno en un reformador catalítico calentado a temperaturas superiores a 500°C. El gas producido, rico en hidrógeno, alimenta la célula; si este gas fuese purificado en etapas posteriores, el desempeño de la célula podrá ser mejorado significativamente, principalmente porque eliminará la formación del carbono en el ánodo. La purificación del gas rico en hidrógeno puede ser conducida por sistemas de separación física (membranas selectivas) (38,39) o reacción química (principalmente para reformar hidrocarburos/oxigenados residuales, reduciéndose el tenor de CO y evitándose así la reacción de Boudoart en el sentido de la formación de carbono). (40)
En la Figura 2 se muestra un esquema de una SOFC alimentada con etanol directamente en el ánodo (DIR-SOFC) sin el uso de la reforma previa. En este tipo de configuración la mezcla de agua y etanol (o etanol puro) es alimentada directamente en el ánodo de la célula en la forma de vapor. (41) La célula opera generalmente a temperaturas superiores a 500°C. La principal ventaja en la operación de la DIR-SOFC es que el hidrógeno producido a partir de la reacción de reforma del etanol es continuamente consumido durante la oxidación del hidrógeno para la generación de energía eléctrica, facilitando así la reforma del combustible, de acuerdo con el principio de Le Châtelier. Con todo así, la alimentación directa del etanol lleva a la formación de carbono en el ánodo, lo que provoca su rápida pérdida de actividad catalítica y en consecuencia, la reducción del tiempo de vida útil de la célula (32,42) o hasta incluso la destrucción física del ánodo. Por lo tanto, es importante que el electro-catalizador anódico sea evaluado en cuanto a la conversión del etanol, al rendimiento de hidrógeno y a la distribución de los demás subproductos, (43-47) regenerabilidad, (48) formación de carbono y otros aspectos como estabilidad, naturaleza y acción del soporte (49-52) antes de ser utilizado como ánodo (electro-catalizador) de una SOFC. (53) Además de las configuraciones DIR-SOFC y IIR-SOFC es posible que la SOFC opere con un reformador completamente separado de la célula a la cual se llama de SOFC con reformador externo (ER-SOFC). En este tipo de configuración no hay conexión directa entre los gases de flujo de salida del reformador y la célula, así el gas rico en hidrógeno puede pasar por procesos de purificación antes de alimentar a la célula, con la ventaja de poder ser almacenado y transportado. (40, 54, 55) La ER-SOFC no posee problemas de formación de carbono en el ánodo, pues es alimentada con hidrógeno puro.
Aunque haya extensos estudios en marcha tanto para la configuración DIR-SOFC como para la IIR-SOFC, se observa que el menor tamaño y peso, la facilidad de transporte y la simplicidad del equipo hacen con que la configuración DIR-SOFC sea la más promisora para las aplicaciones industriales de pequeño a mediano porte, especialmente aquellas que exijan algún tipo de portabilidad o locomoción. La configuración ER-SOFC es más apropiada para grandes unidades generadoras de energía eléctrica, concebidas como instalaciones fijas y permanentes.
Aplicaciones de las SOFCs y estimaciones de costos
La mayoría de los estudios apunta que las SOFCs serán destinadas al mercado de generación distribuida de energía, o sea, la generación de energía en unidades de pequeño y mediano porte en el local de consumo (5 a 200 kW). (56) Los sistemas estacionarios también pueden encuadrarse en la definición de "generación distribuida de energía", (57-59) cuando las inversiones en mantenimiento de las líneas de transmisión eléctrica y las subestaciones son drásticamente reducidos; estos costos son comunes a los de los sistemas tradicionales de generación de energía, por ejemplo, de los generadores hidráulicos y térmicos, como está esquematizado en la Figura 3. La generación distribuida también reduce significativamente las pérdidas de energía en la generación, la subestación y la transmisión. Sin embargo, demandan equipos robustos y de elevada eficiencia, confiabilidad, durabilidad y cuando fuese necesario, la posibilidad de monitoreo remoto. (59) Principalmente en unidades remotas, la utilización de etanol en las SOFCs puede ser más segura en relación a otros combustibles, por la facilidad y la seguridad del transporte y el estoqueado del etanol, además de la disponibilidad en relación al hidrógeno.
Los precios de las SOFCs son competitivos en varios nichos del mercado al alcanzar el costo de fabricación del orden de US$ 1.400 a 1.800/kW. Valores como éstos han sido proyectados por el Departamento de Energía (DoE) de los Estados Unidos en el mayor y más bien financiado programa de desarrollo de SOFCs del mundo. (59) Estos estudios indican que la disminución del costo de las SOFC con reformador externo o interno, transcurrirá principalmente del aumento de eficiencia y disminución del costo del reformador de combustible.
Actualmente, los datos disponibles del costo y de eficiencia de la producción de hidrógeno a partir de diferentes fuentes dependen del tamaño de la unidad productora. La producción a través de la reforma a vapor del gas natural puede variar de US$ 2,11 hasta US$ 3,68/kg para plantas de grande y pequeño porte, respectivamente. En ambos casos la eficiencia queda en torno al 70%. Por otro lado, si el hidrógeno fuese producido a partir de la electrólisis del agua o su costo puede alcanzar US$ 7,36/kg con una eficiencia del 27%. Los estudios de prototipos, dimensionamiento y evaluación económica de las unidades de SOFC indican que el generador de hidrógeno puede representar hasta el 50% del valor total de la célula. (55)
Evaluaciones teóricas de la utilización del etanol en la SOFC
Una serie de estudios de simulación han buscado el poder comprender los diversos aspectos de la SOFC alimentada con etanol, especialmente suministrando directrices para predecir el efecto de las condiciones operacionales sobre el desempeño de la célula. (31-33, 60, 61) Estos estudios teóricos también son necesarios para la comprensión de las complejas características eléctricas de una célula a combustible; estos efectos están relacionados a las reacciones químicas que ocurren en cada componente, al tipo de combustible y a los procesos de transporte de masa y de calor. Las simulaciones resultan en previsiones más precisas del comportamiento de la célula a combustible, llevando a una concepción más aproximada de sus condiciones ideales de operación.
Arpornwichanop et al. (31) evaluaron el desempeño de una SOFC soportada en el ánodo (Ni/YSZ – 35% de níquel metálico sobre [(Zr2O)0,9(Y2O3)0,1)]) con reforma directa de etanol, usando un modelo unidimensional acoplado a un modelo electroquímico. Fueron considerados como parámetros el espesor del ánodo, la temperatura, la presión y el grado de pre-reforma del etanol. Los autores concluyeron que los ánodos menos espesos (250 nm) acaban influenciando negativamente en la eficiencia de la célula, debido a la disminución del área activa del catalizador y así en la extensión de la reacción de oxidación del etanol. Los ánodos más espesos (1000 nm) dificultan el transporte de reactivos para la interface ánodo-electrolito, resultando en un aumento del sobre-potencial y la consecuente disminución de la eficiencia de la célula. En consecuencia, el espesor del ánodo debe ser cuidadosamente ajustado para optimizar el desempeño de la SOFC. Además de esto, los autores concluyeron que en relación a la utilización del etanol en la célula y la relación agua/etanol (varía de 5 a 11), que elevados valores de la relación agua/etanol disminuyen la concentración de H2 en el gas alimentado a la célula y traen una disminución de la tasa de reacción electroquímica, llevando a la reducción de la densidad de la corriente generada por la célula. Así, la eficiencia de la célula y la utilización de combustibles son mejoradas en las relaciones menores de agua/etanol debido a la mayor concentración de combustible presente (etanol-hidrógeno). El aumento de la temperatura de operación puede también mejorar el desempeño de la célula desde que promueva una mayor tasa de reacción electroquímica y un mayor consumo de combustible. Así, la densidad de la corriente generada será mayor y en consecuencia se incrementarán la eficiencia y la economía de combustible. Sin embargo, el aumento de temperatura del sistema afecta fuertemente a la contribución individual de pérdidas de tensión y de sobre-potencial. Además se verifica que la pérdida óhmica es también una función linear de la densidad de corriente; por lo tanto, su valor puede aumentar significativamente cuando la densidad de la corriente es generada a temperaturas más elevadas.
Artega-Perez et al. (33) estudiaron una SOFC integrada con un sistema de reforma a vapor de etanol, usando un catalizador convencional de reforma (Ni/Al2O3). La eficiencia de la célula y del sistema de reforma fueron estudiadas bajo diferentes condiciones: temperatura (500 < T < 600 °C), relación molar agua/etanol (3 < RAE < 6) y el coeficiente de utilización del combustible (0 < CUC < 90%). El sistema se mostró energéticamente autosustentable cuando la SOFC operó en las siguientes condiciones: coeficiente de utilización del combustible, 80%; temperatura de la reacción de reforma a vapor del etanol, 550 °C y la relación molar agua/etanol, 1/1,5. Tsiakaras y Demin realizaron un análisis termodinámico detallado con el fin de proveer informaciones sobre la utilización del etanol como combustible alternativo en células a combustible de óxido sólido, usando diferentes oxidantes durante la etapa de reforma del combustible conducida fuera de la célula. (60) Fueron consideradas las SOFCs alimentadas con los productos del equilibrio termodinámico de varias reacciones del etanol: la reforma a vapor; la reforma con CO2 y la oxidación parcial con aire. En todos los casos fue utilizado el catalizador tradicional de Ni/ Al2O3. La reforma a vapor fue el método de transformación de etanol más promisor desde el punto de vista termodinámico. Se verificó que la eficiencia teórica obtenida en el sistema SOFC utilizando la reforma con vapor de etanol varió entre 83,9 y 93,8% en las condiciones examinadas. Para la célula alimentada con etanol reformado con CO2, la eficiencia quedó entre 83,6 y 89,9%, en el rango de temperatura de 677 a 827°C. Para el etanol reformado a partir de la oxidación parcial con aire la eficiencia máxima fue del 73,5% a 787°C.
Cimenti et al. (32) hicieron un análisis termodinámico de una SOFC operando con metanol y etanol con la utilización directa del combustible en el ánodo (Ni/YSZ), empleando la reforma a vapor o la oxidación parcial. Fueron determinadas la composición de equilibrio, la deposición de carbono y la fuerza electromotriz de la SOFC. Fue calculada también la cantidad mínima de H2O y CO2, tanto en la reforma directa como indirecta para evitar la formación de carbono. Los resultados de los cálculos de equilibrio muestran que H2 y CO son los principales productos de la pirolisis del metanol. La presencia del carbono fue prevista en el rango de temperatura considerado (800 a 1000 ºC) pero su concentración en el equilibrio disminuyó significativamente con el aumento de la temperatura. En esas temperaturas, la constante de equilibrio para la reacción CH3OH → 2H2 + CO es superior a la de cualquier otra vía de descomposición del metanol de tal forma que sólo ésta reacción debe ser considerada para estimar la composición del equilibrio. La presencia de pequeñas cantidades de H2O (líquido) en el metanol (por ejemplo, 2,6% en el volumen de una SOFC operando a 800°C) debe ser suficiente para suprimir la formación de carbono en el equilibrio. Fue identificado el valor mínimo de la utilización del combustible para el metanol, para el cual ningún carbono estaría presente en el medio: 2,1%, en torno de los 800°C. Para la reforma a vapor del etanol, grandes cantidades de H2O (en torno de tres moles por mol de etanol) deben ser añadidas al etanol puro con el fin de evitar la formación de carbono (por ejemplo, 25,7% en volumen para la operación de la SOFC a 800°C). Finalmente, el hecho de aprovechar el mínimo de combustible de una SOFC alimentada con etanol para operar fuera de la región de formación de carbono fue de 19,5% a 800°C.
Los estudios teóricos presentados revelan que la aplicación del etanol en las SOFCs es viable, tanto para la DIR-SOFC como para la IIR- SOFC. Estos estudios apuntan las mejores condiciones para la operación de la célula con buen desempeño. Los principales parámetros a ser controlados son temperatura de operación de la célula, tasa de conversión del etanol, formación de carbono y presión parcial del etanol en la alimentación. Todos estos parámetros están directa o indirectamente relacionados con el electro-catalizador anódico, o sea, dependen de la naturaleza del metal activo del ánodo y su soporte.
Operación y desempeño de la SOFC alimentada con etanol
La alimentación de las SOFCs con etanol es un campo de investigación importante dentro de un universo mayor que es el desarrollo de las SOFCs. La propuesta del uso del etanol en las SOFCs es relativamente reciente y cuenta con un gran número de trabajos científicos en el área. Los resultados de las investigaciones se están volviendo cada día más consistentes y muestran al etanol como un combustible promisorio.
Silva et al., prepararon en un estudio pionero en Brasil sobre SOFCs unitarias con ánodos formados por electro-catalizadores a base de níquel y cobalto soportados en YSZ [(Zr2O)0,9(Y2O3)0,1], LSM (La0,50Sr0,50MnO3) como cátodo y YSZ como electrolito, siendo éstas alimentadas con etanol. (22,28) Al ser alimentada la célula con etanol se obtuvo tensión en un circuito abierto de 0,85 V, a 900°C. La potencia máxima obtenida fue relativamente baja, en torno de los 5 mW/cm2 a 950°C, debido posiblemente al elevado espesor del electrolito (0,5 mm). A pesar de los bajos valores de potencia fue una experiencia pionera en el desarrollo de SOFCs alimentadas a etanol en Brasil y estimuló otros estudios. (53, 62, 63)
Venâncio et al. (41) desarrollaron electrodos a base de óxido de cerio y cobre depositados sobre YSZ para la oxidación directa del etanol en células de tipo SOFC. La célula fue construida con YSZ como electrolito y La0,8Sr0,2Mn O como cátodo. No se observó ninguna degradación de desempeño luego de 200 horas de operación de la SOFC. Luego de la operación el ánodo se presentó totalmente exento de carbono, sugiriendo que un material a base de óxido de cerio y cobre es un ánodo con excelente potencial para la oxidación directa del etanol en SOFC. La célula alcanzó 250 y 170 mW/cm2 operando a 900°C al ser alimentada con hidrógeno y etanol, respectivamente. Sin embargo, ésta temperatura aún es excesivamente elevada para la aplicación comercial de SOFC de mediana y pequeña potencia.
Ye et al. (29) estudiaron un ánodo fabricado en doble capa: Ni-ScSZ (níquel soportado en zirconio estabilizado con escandia) como ánodo funcional y soporte estructural de las células; Cu-CeO2-YSZ constituye el segundo lecho del ánodo. La densidad de potencia máxima de la célula unitaria alcanzó 604 y 408 mW/cm2 con hidrógeno y etanol, respectivamente al ser operado a 800°C. La estructura del ánodo también mostró buena estabilidad, sin degradación aparente luego de 50 horas de operación, utilizando tanto el etanol como hidrocarburos como combustible. Este es un resultado experimental muy animador para el campo de las investigaciones en ésta área. Sin embargo, el camino experimental seguido por los autores, considerando sus inherentes dificultades debe ser exhaustivamente profundizado con el fin de perfeccionarlo y volverlo cada vez más reproductivo y repetitivo, atendiendo a las demandas comerciales de estabilidad y confiabilidad.
Cimenti y Hill64 investigaron la utilización directa de metanol y etanol en la SOFC sobre ánodos a base de Cu-Co(Ru)/Zr0,35Ce0,65O2 preparados por impregnación. Las células presentaron desempeños y estabilidad semejantes con H2 o metanol con el etanol, el desempeño varió de acuerdo con el tiempo de uso de la célula, o sea la densidad de potencia aumentó inicialmente y después decreció exponencialmente con el tiempo de uso. Este comportamiento, conforme los autores, fue probablemente una consecuencia de la deposición del carbono que inicialmente, aumentaba la conductividad electrónica en la capa funcional del ánodo y posteriormente, bloqueaba sitios activos del electro-catalizador. La potencia máxima obtenida tanto para el etanol como para el metanol fue aproximadamente 450 mW/cm2 a 800 ºC.
Lanzini et al. (65) estudiaron la flexibilidad de la utilización del combustible así como la viabilidad del uso del etanol en un generador SOFC de 5 kW proyectado para gas natural (GN). Las eficiencias eléctrica y global alcanzadas en condiciones nominales de operación, mostraron que el etanol mantiene el buen desempeño del generador: 45% de eficiencia obtenida con etanol y 48% alcanzado con GN.
La etapa de desarrollo de las SOFCs alimentadas con hidrógeno ya impulsa proyectos de construcción de células de mayor porte (66,67) con potencias que varían de 5 a 200 kW, por ejemplo los proyectos de Fuel Cell Technologies y de Siemens Westinghouse. (17) Parte significativa del aprendizaje técnico utilizado para la construcción de éstas células puede ser empleado para el desarrollo de SOFCs alimentadas a etanol, respetándose las particularidades de las propiedades físicas del combustible y las exigencias técnicas de los materiales, principalmente las características catalíticas del ánodo que pueden ser obtenidas de los estudios de reforma del etanol.
Los resultados de las investigaciones del uso del etanol en SOFC apuntan para resultados comparables con las células alimentadas con hidrógeno puro, en condiciones similares de operación. Sin embargo, el etanol presenta ventajas del punto de vista de la seguridad, facilidad de transporte y almacenamiento, lo que ayuda a volverlo bastante competitivo en relación al hidrógeno.
Reacción química del etanol en la SOFC
Reforma externa del etanol
Las SOFCs alimentadas a etanol con reformador externo contienen un dispositivo auxiliar para convertir el etanol en hidrógeno – un reformador catalítico. En este reformador es posible producir un gas rico en hidrógeno por diferentes reacciones: reforma a vapor, reforma autotérmica (reforma oxidativa a vapor) y oxidación parcial, conforme las Ecuaciones 1 a 3 (68)
En este tipo de célula, los componentes - ánodo, electrolito y cátodo - pueden tener composiciones iguales a las células alimentadas directamente con hidrógeno puro, particularmente en los siguientes casos: si el flujo de salida del reformador pasara por un proceso de purificación o si el catalizador usado en el reformador fuese muy selectivo para la producción de hidrógeno. Uno de los procesos típicos de enriquecimiento de la corriente de hidrógeno del reformador es la remoción del CO con agua, por la reacción de Shift (Ecuación 4): (69)
Los catalizadores industriales o los utilizados en investigación son generalmente basados en metales como Ni, Fe, Co, Cu, depositados en una variedad de soportes. (70-73) Alternativamente, la reacción de reforma del etanol puede ser conducida en presencia de metales nobles como Rh, Ru, Pd y Pt. (50, 74-77) Estos catalizadores pueden ser preparados por métodos diferentes, tales como la impregnación, los precursores poliméricos (método Pechini), el sol-gel, la combustión, la co-precipitación, entre otros. (72,78)
La reforma a vapor del etanol (RVE) es una reacción ampliamente estudiada, recibiendo gran atención de los investigadores (55, 79) debido al elevado potencial de producción de hidrógeno (tres moles de H2 por mol de etanol). Siendo un proceso químico muy complejo con un mecanismo de reacción envolviendo varias etapas catalizadas. (80-84) Muchas otras reacciones pueden ocurrir simultánea o sucesivamente, tales como deshidratación, descomposición, deshidrogenación, formación de carbono, entre otras. (68) Estos estudios muestran que en la RVE el camino de la reacción es probablemente dependiente del catalizador empleado y de las condiciones de reacción.
En la RVE las actividades de los catalizadores disminuyen con el tiempo de reacción, principalmente por la deposición de materiales de carbono sobre la superficie del catalizador. Generalmente esta desactivación se acompaña de un fuerte aumento en la producción de acetaldehído. (85) Este es un problema de la mayoría de los catalizadores a base de metales soportados en óxidos de naturaleza ácida, como zirconio, cerio o alúmina. La adición de especies alcalinas al catalizador para neutralizar sitios ácidos, representa una de las opciones para mejorar el rendimiento a hidrógeno en la reforma a vapor del etanol. (69, 86-88) La neutralización de sitios ácido puede inhibir la formación de productos provenientes de reacciones de deshidratación, probables responsables por la producción de carbono. La adición de especies de carácter básico al catalizador, buscando minimizar la formación de carbono, han exhibido un éxito principalmente respecto al aumento de la estabilidad del catalizador. (42, 46, 86, 89-91)
En la Tabla 1 se resumen algunos catalizadores típicos para la reforma del etanol. Se verifica que los catalizadores a base de níquel tienen un rendimiento a hidrógeno relacionado con el coeficiente molar etanol/agua y con el soporte utilizado. (87) Se observa que la alúmina es más activa en la formación de carbono debido a su fuerte carácter ácido. (81, 87) El rodio es un metal que promueve rendimientos de hidrógeno próximos a la relación cuantitativa, sin embargo, presenta un elevado costo. (92)
Camino de reacción de reforma del etanol
La reforma a vapor del etanol (Ecuación 1) es una reacción fuertemente endotérmica: ∆Hº = 174 kJ/mol y ∆Gº = 65 kJ/mol. Por eso, valores deseables de conversión del etanol y la selectividad a hidrógeno sólo son obtenidos a temperaturas superiores a 500 °C. Los subproductos formados, así como sus cantidades relativas, dependen fuertemente de las condiciones de reacción, destacándose el tenor de agua, la temperatura y el catalizador (68, 70, 93, 94) en general, los metales de transición han presentado un buen nivel de actividad y selectividad para la reforma a vapor del etanol en el siguiente orden: Co > Ni > Rh > Pt, Ru, Cu. (55, 68, 81, 95)
En la Tabla 2 se resumen algunas reacciones observadas durante la reforma a vapor del etanol para diferentes catalizadores. De forma general, muchos de los dos subproductos son convertidos a hidrógeno en reacciones posteriores, por eso no son directamente perjudiciales a la productividad de hidrógeno. Sin embargo, la reacción de metanización está acompañada de un gran consumo de hidrógeno y por lo tanto es muy indeseable.
Reforma interna directa del etanol
En la SOFC con reforma directa del etanol, el mismo (etanol/agua o etanol puro) es alimentado directamente en el ánodo de la célula. En este tipo de SOFCs, el ánodo (electro-catalizador) convierte el etanol directamente en hidrógeno, CO2 u otros subproductos. Los subproductos pueden ser purgados, pudiendo ser usados para realimentar la célula o pueden ser nuevamente aprovechados para otros fines comerciales, dependiendo de su composición. (41)
Aún no se tiene un conocimiento exacto sobre la reacción del hidrógeno resultante de la reforma del etanol en el ánodo, particularmente en la SOFC con reforma directa. (64) El ánodo puede convertir al etanol a hidrógeno y en una reacción posterior el hidrógeno es oxidado a H+ (Ecuaciones 5 y 6). Alternativamente, el ánodo también puede convertir directamente los átomos de hidrógeno presentes en la molécula de etanol en H+ (Ecuación 7):
Las SOFCs alimentadas directamente con etanol tienen la ventaja de ser más simples y menos costosas en relación a las células con reforma externa, principalmente por no demandar producción y purificación de hidrógeno en otras unidades. Sin embargo, ese tipo de configuración presenta grandes problemas a respecto a la formación de carbono. (96) Esto ocurre principalmente porque el níquel es el metal más usado en los ánodos y es un fuerte inductor de la reacción de formación de carbono. (97) La regeneración del ánodo puede ser hecha por medio de oxígeno o vapor de agua, alimentados a la célula degradada, pero no hay garantías de una buena eficiencia de regeneración. Estas maneras de regeneración del ánodo pueden promover la oxidación de su fase metálica. Esta reacción puede causar dilataciones térmicas y grietas en la célula. Este efecto es principalmente serio en la interface ánodo-electrolito, pudiendo comprometer el transporte de portadores de cargas: H+ en la región del ánodo y O2- en la región de la interface ánodo-electrolito. A esto se le suma el hecho de que durante la regeneración del ánodo la fase metálica puede presentar una fuerte sinterización, con la consecuente reducción de la actividad catalítica. (48) Las células alimentadas directamente con etanol presentan diferencias significativas en relación a las células alimentadas directamente con hidrocarburos, como el metano y el gas natural. La reacción de reforma a vapor del etanol alcanza conversiones elevadas a temperaturas entre 500 y 800°C, permitiendo que la célula sea operada con alta eficiencia en éste intervalo de temperatura, dando viabilidad a las IT-SOFC (SOFC que operan en temperaturas intermediarias, esto es entre 500 a 800°C). Esta reducción en la temperatura de operación minimiza parte de los problemas causados por la dilatación térmica de los componentes de la célula; sin embargo, demandará el desarrollo de electrolitos y cátodos más activos en este rango de temperatura. (27) Entre los electrolitos con elevada conductividad entre 700 y 800°C se pueden usar materiales ya conocidos a base de óxido de bismuto, (18, 98) La0,9Sr0,1Ga0,8Mg0,2O3−δ, Gd1,86Ca0,14Ti2O7−δ, La0,9Sr0,1AlO3−δ, cuya conductividad llega a alcanzar 2 mS/cm, (99) en vez de usarse el más tradicional YSZ (Zr0,9Y0,1O2−δ) que exhibe conductividad aproximada de 1 mS/cm a temperaturas en torno de los 1000 °C. (100, 101)
Reforma interna indirecta del etanol
Las SOFCs con reforma interna de etanol son dispositivos que contienen un reformador en el interior de la célula. Este tipo de configuración envuelve el desarrollo tecnológico común a las SOFC de reforma externa. Siendo un tipo de configuración que favorece el aprovechar el calor disipado en los componentes de la célula, sea el calor del reformador para calentar la célula, sea el calor de la célula para calentar al reformador. Es un tipo de configuración bastante apropiada para el acople a co-generadores. (102, 103)
Baily observó que la temperatura de los gases a la salida de la SOFC de alta temperatura, operando en torno de los 1000°C era de cerca de 815°C, luego del precalentamiento del aire. (104) Los gases con estos niveles de temperaturas son capaces de producir vapor con temperatura superior a 540°C, lo que vuelve bastante adecuada a ésta SOFC para un ciclo de generación a vapor. Las temperaturas en torno de los 300°C ya son capaces de promover una conversión del etanol con selectividad a hidrógeno de hasta el 30%, sobre los catalizadores a base de Pt/Al2O3 y Pt/CeO2; (105) el hidrógeno producido puede ser direccionado para alimentar las células. La posibilidad de aplicar co-generadores acoplados a la célula a combustible de óxido sólido, transforma su principal desventaja, la elevada temperatura de operación, en una ventaja técnica pues aumenta el rendimiento global del dispositivo.
Panorama cuantitativo de los estudios sobre SOFC a etanol
Este estudio buscó cuantificar las publicaciones de estudios sobre las SOFCs alimentadas con etanol, sea con la aplicación de etanol directo en la célula o desarrollos de ánodos apropiados. En este estudio se consideraron los artículos y las patentes publicadas.
En las Figuras 4, 5 y 6 se muestran los cuantitativos de los artículos y las patentes publicadas sobre la aplicación del etanol en SOFC. Los datos revelan que las publicaciones se inician particularmente a partir del año 2000. Hay 152 documentos publicados distribuidos de forma creciente desde el 2001 al 2011 incluyendo artículos, revisiones, publicaciones, describiendo eventos y patentes, que muestran testes directos con etanol en SOFC, desarrollo de materiales y estudios teóricos.
Entres los diez países que más se han interesado por el desarrollo en la investigación en esta área de las SOFC alimentadas con etanol se destaca China con 24,2% de toda la producción técnica. Brasil aparece en la octava posición, sin embargo con posibilidades reales de destacarse en los próximos años, auxiliado por las políticas de incentivos financieros a las investigaciones del área de energías alternativas. Estas publicaciones se han realizado en revistas especializadas, tanto nacionales como internacionales. (28, 34, 41, 106, 107)
A respecto de las patentes que indican apropiación de tecnología en el área ya fueron publicados 29 documentos. Estados Unidos, Japón y España se destacan con 14, 8 y 8 patentes cada una, respectivamente. Existen también ocho depósitos internacionales por el PCT (Tratado de Cooperación en Materia de Patentes). Entre los principales depositantes se destacan empresas dedicadas al área de energía como Fuelcell Energy INC. (USA), Inst. Nuclear Energy Res. Atomic Energy Co. (USA) y Ultracell Corp. (USA). Dos importantes instituciones de investigación University of Pennsylvania (USA) y Forschungszentrum Jüelich GMBH (DE) y otras empresas del sector de tecnología de materiales: Seiko Epson Corp. (JP), Hitachi Metals Ltd. (JP) y Delphi Technologies Inc. (USA).
En relación a la posición de Brasil en las publicaciones nacionales en revistas indexadas relacionadas al desarrollo de las SOFC alimentadas a etanol, las mismas responden por 5,3% del total y están concentradas principalmente en los autores de las regiones Sur y Sudeste y del estado de Bahía.
Se observa una fuerte presencia del centro de investigación de Tailandia que está entre aquellos países que realizan elevadas inversiones en investigación y desarrollo en el área de las SOFCs a etanol. Esta posición de Tailandia se explica por el hecho de ser un gran productor de etanol, teniendo 40 usinas en actividad y ya haciendo uso de 10% del etanol añadido a la gasolina para uso vehicular. El país tiene planes para invertir en tecnología para optimizar la producción y diversificar el uso del combustible, principalmente en el área de generación de energía. (108)
En el área de las SOFC alimentadas a etanol, el número de documentos publicados aún es bastante modesto para una tecnología motivada por el elevado rendimiento de la conversión de energía y un fuerte apelo ambiental. El número reducido de publicaciones muestra que aún hay un gran espacio para la inversión en el desarrollo de tecnologías, buscando su viabilidad técnica y comercial. El campo de desarrollo de las SOFCs alimentadas con etanol es una buena oportunidad para la inversión en la formación de recursos humanos e inversiones empresariales.
Conclusiones y Perspectivas
Las SOFCs alimentadas a etanol tienen viabilidad técnica, comprobada por evaluaciones teóricas y están ratificadas por estudios experimentales. Es un importante dispositivo para la generación limpia de energía pudiendo complementar a mediano o largo plazo la matriz energética mundial y principalmente la matriz brasileña. Los resultados experimentales ya indican que las células alimentadas con etanol pueden alcanzar la densidad de potencia en torno de los 450 mW/cm2, que es un número similar a las células alimentadas con hidrógeno; por lo tanto, encorajando o scale up de las células alimentadas con etanol para unidades mayores con capacidades entre 5 y 200 kW. Los estudios en las SOFCs con reforma directa o interna de etanol están avanzando de forma singular, creando expectativas positivas y recursos humanos calificados para alcanzar un nivel de desarrollo tecnológico capaz de generar viabilidad comercial.
Más allá de que el escenario sea de optimismo, respecto de ser viable un dispositivo eficiente y de baja emisión de contaminante en la generación de energía, aún existen grandes desafíos tecnológicos teniendo en cuenta principalmente el hecho de minimizar la producción de carbono por los materiales (electro-catalizadores) usados para transformar al etanol en hidrógeno, ya sea directamente en la célula o en el reformador externo o interno a la célula.
Las elevadas inversiones mundiales, públicas y privadas y los atrayentes aspectos ambientales de la tecnología, sugieren que las SOFCs alcanzarán un alto grado de desarrollo a mediano o largo plazo. Esto permitirá la inserción de las SOFC en el mercado de generación de energía eléctrica siendo una óptima alternativa para la generación descentralizada de energía.
Configuración del dispositivo de William R. Grove, según su publicación "On the Gas Voltaic Battery" (1839)
En la célula a combustible, la energía química de un combustible es convertida directamente en energía eléctrica sin los límites termodinámicos de las máquinas térmicas, (20) pudiendo alcanzar la eficiencia en alrededor del 80%. (19) Entre los diversos tipos de células, la célula a combustible de óxido sólido (PACOS) o, como es más conocida en la literatura internacional Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), se ha destacado ampliamente. Debido a la elevada temperatura de operación (500-1000°C), la SOFC ofrece gran flexibilidad en el uso de combustibles, pudiendo usar tanto el hidrógeno como el gas natural y los derivados de biomasa, (21) como el bioetanol. (22) En el caso del uso de gas natural o bioetanol se puede hacer tanto el proceso de reforma previa del combustible (transformación previa del combustible en hidrógeno) como alimentarlo directamente en la célula. El uso del etanol en SOFCs es muy relevante para el país, en función del programa nacional del bioetanol, con una red de distribución bien consolidada. Considerándose los serios riesgos en la logística de almacenamiento y transporte del hidrógeno (23-25), el uso del bioetanol representaría una alternativa importante rumbo a volver una realidad desde el punto de vista técnico y económico a las SOFCs, además de ser una estrategia adecuada para la generación de energía aliada a la sustentabilidad. (26)
Pila de hidrógeno. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen.
El uso del etanol en SOFC asocia dos ventajas principales: la producción de energía eléctrica con una elevada eficiencia de la SOFC y al origen renovable y sustentable del etanol. Estas ventajas pueden ser concretizadas, pues la viabilidad técnica en la utilización del etanol en SOFC ya fue comprobada en estudios experimentales, (27-30) así como por modelos matemáticos y termodinámicos. (31-33) Sin embargo, aún existen algunos impedimentos tecnológicos para la aplicación práctica de la SOFC. El principal impedimento es la elevada deposición de carbono promovida por el electro-catalizador anódico, (34) sea la célula alimentada con etanol puro o las mezclas de etanol y agua, al ser alimentado directamente en el ánodo de la célula. Otro problema es la formación del carbono durante la producción de hidrógeno para las células que utilicen un reformador externo de etanol. (35)
El objetivo de este trabajo fue identificar y discutir los aspectos técnicos relacionados a la utilización del etanol como combustible, en las células a combustible de óxido sólido. Para eso, se destacaron los principales estudios teóricos y experimentales, las principales configuraciones de las células y las reacciones de transformación del etanol para alimentarlas.
Tipos de configuraciones de SOFC
Los tipos de configuraciones de SOFC generalmente se relacionan a la alimentación del combustible. La SOFC puede operar en tres diferentes tipos de configuraciones: operación con reformador externo; reformador interno indirecto (IIR-SOFC) y reformador interno directo (DIR-SOFC).
Debido a la operación a altas temperaturas de las SOFCs (500-1000ºC), el etanol puede ser reformado a hidrógeno en la propia célula. Esta técnica es conocida como SOFC con Reforma Interna (IR-SOFC), donde se aprovecha el calor de la operación de las células para reformar el combustible, presentando una ga nancia global en la eficiencia. (36,37) La IR-SOFC puede ser dividida en dos tipos: Reforma Interna Indirecta (IIR- SOFC) y Reforma Interna Directa (DIR- SOFC). En el primer caso (IIR-SOFC) el combustible es alimentado en la sección de reforma que está físicamente separada de los dispositivos de la célula, localizado de forma próxima al ánodo de la célula a combustible, conforme mostrado en la Figura 1. En este tipo de configuración, el reformador de combustible y la célula son mantenidos aproximadamente a la misma temperatura envueltos por una caja aislante. En la Figura 1 se muestra un esquema de una SOFC con reformador interno de etanol exclusivo para la célula, en el que la mezcla de etanol y agua (o etanol puro) se transforma en hidrógeno en un reformador catalítico calentado a temperaturas superiores a 500°C. El gas producido, rico en hidrógeno, alimenta la célula; si este gas fuese purificado en etapas posteriores, el desempeño de la célula podrá ser mejorado significativamente, principalmente porque eliminará la formación del carbono en el ánodo. La purificación del gas rico en hidrógeno puede ser conducida por sistemas de separación física (membranas selectivas) (38,39) o reacción química (principalmente para reformar hidrocarburos/oxigenados residuales, reduciéndose el tenor de CO y evitándose así la reacción de Boudoart en el sentido de la formación de carbono). (40)
En la Figura 2 se muestra un esquema de una SOFC alimentada con etanol directamente en el ánodo (DIR-SOFC) sin el uso de la reforma previa. En este tipo de configuración la mezcla de agua y etanol (o etanol puro) es alimentada directamente en el ánodo de la célula en la forma de vapor. (41) La célula opera generalmente a temperaturas superiores a 500°C. La principal ventaja en la operación de la DIR-SOFC es que el hidrógeno producido a partir de la reacción de reforma del etanol es continuamente consumido durante la oxidación del hidrógeno para la generación de energía eléctrica, facilitando así la reforma del combustible, de acuerdo con el principio de Le Châtelier. Con todo así, la alimentación directa del etanol lleva a la formación de carbono en el ánodo, lo que provoca su rápida pérdida de actividad catalítica y en consecuencia, la reducción del tiempo de vida útil de la célula (32,42) o hasta incluso la destrucción física del ánodo. Por lo tanto, es importante que el electro-catalizador anódico sea evaluado en cuanto a la conversión del etanol, al rendimiento de hidrógeno y a la distribución de los demás subproductos, (43-47) regenerabilidad, (48) formación de carbono y otros aspectos como estabilidad, naturaleza y acción del soporte (49-52) antes de ser utilizado como ánodo (electro-catalizador) de una SOFC. (53) Además de las configuraciones DIR-SOFC y IIR-SOFC es posible que la SOFC opere con un reformador completamente separado de la célula a la cual se llama de SOFC con reformador externo (ER-SOFC). En este tipo de configuración no hay conexión directa entre los gases de flujo de salida del reformador y la célula, así el gas rico en hidrógeno puede pasar por procesos de purificación antes de alimentar a la célula, con la ventaja de poder ser almacenado y transportado. (40, 54, 55) La ER-SOFC no posee problemas de formación de carbono en el ánodo, pues es alimentada con hidrógeno puro.
Aunque haya extensos estudios en marcha tanto para la configuración DIR-SOFC como para la IIR-SOFC, se observa que el menor tamaño y peso, la facilidad de transporte y la simplicidad del equipo hacen con que la configuración DIR-SOFC sea la más promisora para las aplicaciones industriales de pequeño a mediano porte, especialmente aquellas que exijan algún tipo de portabilidad o locomoción. La configuración ER-SOFC es más apropiada para grandes unidades generadoras de energía eléctrica, concebidas como instalaciones fijas y permanentes.
Aplicaciones de las SOFCs y estimaciones de costos
La mayoría de los estudios apunta que las SOFCs serán destinadas al mercado de generación distribuida de energía, o sea, la generación de energía en unidades de pequeño y mediano porte en el local de consumo (5 a 200 kW). (56) Los sistemas estacionarios también pueden encuadrarse en la definición de "generación distribuida de energía", (57-59) cuando las inversiones en mantenimiento de las líneas de transmisión eléctrica y las subestaciones son drásticamente reducidos; estos costos son comunes a los de los sistemas tradicionales de generación de energía, por ejemplo, de los generadores hidráulicos y térmicos, como está esquematizado en la Figura 3. La generación distribuida también reduce significativamente las pérdidas de energía en la generación, la subestación y la transmisión. Sin embargo, demandan equipos robustos y de elevada eficiencia, confiabilidad, durabilidad y cuando fuese necesario, la posibilidad de monitoreo remoto. (59) Principalmente en unidades remotas, la utilización de etanol en las SOFCs puede ser más segura en relación a otros combustibles, por la facilidad y la seguridad del transporte y el estoqueado del etanol, además de la disponibilidad en relación al hidrógeno.
Los precios de las SOFCs son competitivos en varios nichos del mercado al alcanzar el costo de fabricación del orden de US$ 1.400 a 1.800/kW. Valores como éstos han sido proyectados por el Departamento de Energía (DoE) de los Estados Unidos en el mayor y más bien financiado programa de desarrollo de SOFCs del mundo. (59) Estos estudios indican que la disminución del costo de las SOFC con reformador externo o interno, transcurrirá principalmente del aumento de eficiencia y disminución del costo del reformador de combustible.
Actualmente, los datos disponibles del costo y de eficiencia de la producción de hidrógeno a partir de diferentes fuentes dependen del tamaño de la unidad productora. La producción a través de la reforma a vapor del gas natural puede variar de US$ 2,11 hasta US$ 3,68/kg para plantas de grande y pequeño porte, respectivamente. En ambos casos la eficiencia queda en torno al 70%. Por otro lado, si el hidrógeno fuese producido a partir de la electrólisis del agua o su costo puede alcanzar US$ 7,36/kg con una eficiencia del 27%. Los estudios de prototipos, dimensionamiento y evaluación económica de las unidades de SOFC indican que el generador de hidrógeno puede representar hasta el 50% del valor total de la célula. (55)
Evaluaciones teóricas de la utilización del etanol en la SOFC
Una serie de estudios de simulación han buscado el poder comprender los diversos aspectos de la SOFC alimentada con etanol, especialmente suministrando directrices para predecir el efecto de las condiciones operacionales sobre el desempeño de la célula. (31-33, 60, 61) Estos estudios teóricos también son necesarios para la comprensión de las complejas características eléctricas de una célula a combustible; estos efectos están relacionados a las reacciones químicas que ocurren en cada componente, al tipo de combustible y a los procesos de transporte de masa y de calor. Las simulaciones resultan en previsiones más precisas del comportamiento de la célula a combustible, llevando a una concepción más aproximada de sus condiciones ideales de operación.
Arpornwichanop et al. (31) evaluaron el desempeño de una SOFC soportada en el ánodo (Ni/YSZ – 35% de níquel metálico sobre [(Zr2O)0,9(Y2O3)0,1)]) con reforma directa de etanol, usando un modelo unidimensional acoplado a un modelo electroquímico. Fueron considerados como parámetros el espesor del ánodo, la temperatura, la presión y el grado de pre-reforma del etanol. Los autores concluyeron que los ánodos menos espesos (250 nm) acaban influenciando negativamente en la eficiencia de la célula, debido a la disminución del área activa del catalizador y así en la extensión de la reacción de oxidación del etanol. Los ánodos más espesos (1000 nm) dificultan el transporte de reactivos para la interface ánodo-electrolito, resultando en un aumento del sobre-potencial y la consecuente disminución de la eficiencia de la célula. En consecuencia, el espesor del ánodo debe ser cuidadosamente ajustado para optimizar el desempeño de la SOFC. Además de esto, los autores concluyeron que en relación a la utilización del etanol en la célula y la relación agua/etanol (varía de 5 a 11), que elevados valores de la relación agua/etanol disminuyen la concentración de H2 en el gas alimentado a la célula y traen una disminución de la tasa de reacción electroquímica, llevando a la reducción de la densidad de la corriente generada por la célula. Así, la eficiencia de la célula y la utilización de combustibles son mejoradas en las relaciones menores de agua/etanol debido a la mayor concentración de combustible presente (etanol-hidrógeno). El aumento de la temperatura de operación puede también mejorar el desempeño de la célula desde que promueva una mayor tasa de reacción electroquímica y un mayor consumo de combustible. Así, la densidad de la corriente generada será mayor y en consecuencia se incrementarán la eficiencia y la economía de combustible. Sin embargo, el aumento de temperatura del sistema afecta fuertemente a la contribución individual de pérdidas de tensión y de sobre-potencial. Además se verifica que la pérdida óhmica es también una función linear de la densidad de corriente; por lo tanto, su valor puede aumentar significativamente cuando la densidad de la corriente es generada a temperaturas más elevadas.
Artega-Perez et al. (33) estudiaron una SOFC integrada con un sistema de reforma a vapor de etanol, usando un catalizador convencional de reforma (Ni/Al2O3). La eficiencia de la célula y del sistema de reforma fueron estudiadas bajo diferentes condiciones: temperatura (500 < T < 600 °C), relación molar agua/etanol (3 < RAE < 6) y el coeficiente de utilización del combustible (0 < CUC < 90%). El sistema se mostró energéticamente autosustentable cuando la SOFC operó en las siguientes condiciones: coeficiente de utilización del combustible, 80%; temperatura de la reacción de reforma a vapor del etanol, 550 °C y la relación molar agua/etanol, 1/1,5. Tsiakaras y Demin realizaron un análisis termodinámico detallado con el fin de proveer informaciones sobre la utilización del etanol como combustible alternativo en células a combustible de óxido sólido, usando diferentes oxidantes durante la etapa de reforma del combustible conducida fuera de la célula. (60) Fueron consideradas las SOFCs alimentadas con los productos del equilibrio termodinámico de varias reacciones del etanol: la reforma a vapor; la reforma con CO2 y la oxidación parcial con aire. En todos los casos fue utilizado el catalizador tradicional de Ni/ Al2O3. La reforma a vapor fue el método de transformación de etanol más promisor desde el punto de vista termodinámico. Se verificó que la eficiencia teórica obtenida en el sistema SOFC utilizando la reforma con vapor de etanol varió entre 83,9 y 93,8% en las condiciones examinadas. Para la célula alimentada con etanol reformado con CO2, la eficiencia quedó entre 83,6 y 89,9%, en el rango de temperatura de 677 a 827°C. Para el etanol reformado a partir de la oxidación parcial con aire la eficiencia máxima fue del 73,5% a 787°C.
Cimenti et al. (32) hicieron un análisis termodinámico de una SOFC operando con metanol y etanol con la utilización directa del combustible en el ánodo (Ni/YSZ), empleando la reforma a vapor o la oxidación parcial. Fueron determinadas la composición de equilibrio, la deposición de carbono y la fuerza electromotriz de la SOFC. Fue calculada también la cantidad mínima de H2O y CO2, tanto en la reforma directa como indirecta para evitar la formación de carbono. Los resultados de los cálculos de equilibrio muestran que H2 y CO son los principales productos de la pirolisis del metanol. La presencia del carbono fue prevista en el rango de temperatura considerado (800 a 1000 ºC) pero su concentración en el equilibrio disminuyó significativamente con el aumento de la temperatura. En esas temperaturas, la constante de equilibrio para la reacción CH3OH → 2H2 + CO es superior a la de cualquier otra vía de descomposición del metanol de tal forma que sólo ésta reacción debe ser considerada para estimar la composición del equilibrio. La presencia de pequeñas cantidades de H2O (líquido) en el metanol (por ejemplo, 2,6% en el volumen de una SOFC operando a 800°C) debe ser suficiente para suprimir la formación de carbono en el equilibrio. Fue identificado el valor mínimo de la utilización del combustible para el metanol, para el cual ningún carbono estaría presente en el medio: 2,1%, en torno de los 800°C. Para la reforma a vapor del etanol, grandes cantidades de H2O (en torno de tres moles por mol de etanol) deben ser añadidas al etanol puro con el fin de evitar la formación de carbono (por ejemplo, 25,7% en volumen para la operación de la SOFC a 800°C). Finalmente, el hecho de aprovechar el mínimo de combustible de una SOFC alimentada con etanol para operar fuera de la región de formación de carbono fue de 19,5% a 800°C.
Los estudios teóricos presentados revelan que la aplicación del etanol en las SOFCs es viable, tanto para la DIR-SOFC como para la IIR- SOFC. Estos estudios apuntan las mejores condiciones para la operación de la célula con buen desempeño. Los principales parámetros a ser controlados son temperatura de operación de la célula, tasa de conversión del etanol, formación de carbono y presión parcial del etanol en la alimentación. Todos estos parámetros están directa o indirectamente relacionados con el electro-catalizador anódico, o sea, dependen de la naturaleza del metal activo del ánodo y su soporte.
Operación y desempeño de la SOFC alimentada con etanol
La alimentación de las SOFCs con etanol es un campo de investigación importante dentro de un universo mayor que es el desarrollo de las SOFCs. La propuesta del uso del etanol en las SOFCs es relativamente reciente y cuenta con un gran número de trabajos científicos en el área. Los resultados de las investigaciones se están volviendo cada día más consistentes y muestran al etanol como un combustible promisorio.
Silva et al., prepararon en un estudio pionero en Brasil sobre SOFCs unitarias con ánodos formados por electro-catalizadores a base de níquel y cobalto soportados en YSZ [(Zr2O)0,9(Y2O3)0,1], LSM (La0,50Sr0,50MnO3) como cátodo y YSZ como electrolito, siendo éstas alimentadas con etanol. (22,28) Al ser alimentada la célula con etanol se obtuvo tensión en un circuito abierto de 0,85 V, a 900°C. La potencia máxima obtenida fue relativamente baja, en torno de los 5 mW/cm2 a 950°C, debido posiblemente al elevado espesor del electrolito (0,5 mm). A pesar de los bajos valores de potencia fue una experiencia pionera en el desarrollo de SOFCs alimentadas a etanol en Brasil y estimuló otros estudios. (53, 62, 63)
Venâncio et al. (41) desarrollaron electrodos a base de óxido de cerio y cobre depositados sobre YSZ para la oxidación directa del etanol en células de tipo SOFC. La célula fue construida con YSZ como electrolito y La0,8Sr0,2Mn O como cátodo. No se observó ninguna degradación de desempeño luego de 200 horas de operación de la SOFC. Luego de la operación el ánodo se presentó totalmente exento de carbono, sugiriendo que un material a base de óxido de cerio y cobre es un ánodo con excelente potencial para la oxidación directa del etanol en SOFC. La célula alcanzó 250 y 170 mW/cm2 operando a 900°C al ser alimentada con hidrógeno y etanol, respectivamente. Sin embargo, ésta temperatura aún es excesivamente elevada para la aplicación comercial de SOFC de mediana y pequeña potencia.
Ye et al. (29) estudiaron un ánodo fabricado en doble capa: Ni-ScSZ (níquel soportado en zirconio estabilizado con escandia) como ánodo funcional y soporte estructural de las células; Cu-CeO2-YSZ constituye el segundo lecho del ánodo. La densidad de potencia máxima de la célula unitaria alcanzó 604 y 408 mW/cm2 con hidrógeno y etanol, respectivamente al ser operado a 800°C. La estructura del ánodo también mostró buena estabilidad, sin degradación aparente luego de 50 horas de operación, utilizando tanto el etanol como hidrocarburos como combustible. Este es un resultado experimental muy animador para el campo de las investigaciones en ésta área. Sin embargo, el camino experimental seguido por los autores, considerando sus inherentes dificultades debe ser exhaustivamente profundizado con el fin de perfeccionarlo y volverlo cada vez más reproductivo y repetitivo, atendiendo a las demandas comerciales de estabilidad y confiabilidad.
Cimenti y Hill64 investigaron la utilización directa de metanol y etanol en la SOFC sobre ánodos a base de Cu-Co(Ru)/Zr0,35Ce0,65O2 preparados por impregnación. Las células presentaron desempeños y estabilidad semejantes con H2 o metanol con el etanol, el desempeño varió de acuerdo con el tiempo de uso de la célula, o sea la densidad de potencia aumentó inicialmente y después decreció exponencialmente con el tiempo de uso. Este comportamiento, conforme los autores, fue probablemente una consecuencia de la deposición del carbono que inicialmente, aumentaba la conductividad electrónica en la capa funcional del ánodo y posteriormente, bloqueaba sitios activos del electro-catalizador. La potencia máxima obtenida tanto para el etanol como para el metanol fue aproximadamente 450 mW/cm2 a 800 ºC.
Lanzini et al. (65) estudiaron la flexibilidad de la utilización del combustible así como la viabilidad del uso del etanol en un generador SOFC de 5 kW proyectado para gas natural (GN). Las eficiencias eléctrica y global alcanzadas en condiciones nominales de operación, mostraron que el etanol mantiene el buen desempeño del generador: 45% de eficiencia obtenida con etanol y 48% alcanzado con GN.
La etapa de desarrollo de las SOFCs alimentadas con hidrógeno ya impulsa proyectos de construcción de células de mayor porte (66,67) con potencias que varían de 5 a 200 kW, por ejemplo los proyectos de Fuel Cell Technologies y de Siemens Westinghouse. (17) Parte significativa del aprendizaje técnico utilizado para la construcción de éstas células puede ser empleado para el desarrollo de SOFCs alimentadas a etanol, respetándose las particularidades de las propiedades físicas del combustible y las exigencias técnicas de los materiales, principalmente las características catalíticas del ánodo que pueden ser obtenidas de los estudios de reforma del etanol.
Los resultados de las investigaciones del uso del etanol en SOFC apuntan para resultados comparables con las células alimentadas con hidrógeno puro, en condiciones similares de operación. Sin embargo, el etanol presenta ventajas del punto de vista de la seguridad, facilidad de transporte y almacenamiento, lo que ayuda a volverlo bastante competitivo en relación al hidrógeno.
Reacción química del etanol en la SOFC
Reforma externa del etanol
Las SOFCs alimentadas a etanol con reformador externo contienen un dispositivo auxiliar para convertir el etanol en hidrógeno – un reformador catalítico. En este reformador es posible producir un gas rico en hidrógeno por diferentes reacciones: reforma a vapor, reforma autotérmica (reforma oxidativa a vapor) y oxidación parcial, conforme las Ecuaciones 1 a 3 (68)
| CH3CH2OH + 3 H2O → 2 CO2 + 6 H2 reforma a vapor del etanol (1) |
| CH3CH2OH + 2 H2O + ½O2 → 2 CO2+ 5 H2 reforma autotérmica (2) |
| CH3CH2OH + ½O2 → 2 CO + 3 H2 oxidación parcial (3) |
En este tipo de célula, los componentes - ánodo, electrolito y cátodo - pueden tener composiciones iguales a las células alimentadas directamente con hidrógeno puro, particularmente en los siguientes casos: si el flujo de salida del reformador pasara por un proceso de purificación o si el catalizador usado en el reformador fuese muy selectivo para la producción de hidrógeno. Uno de los procesos típicos de enriquecimiento de la corriente de hidrógeno del reformador es la remoción del CO con agua, por la reacción de Shift (Ecuación 4): (69)
CO + H2O → CO2 + H2 (4)
Los catalizadores industriales o los utilizados en investigación son generalmente basados en metales como Ni, Fe, Co, Cu, depositados en una variedad de soportes. (70-73) Alternativamente, la reacción de reforma del etanol puede ser conducida en presencia de metales nobles como Rh, Ru, Pd y Pt. (50, 74-77) Estos catalizadores pueden ser preparados por métodos diferentes, tales como la impregnación, los precursores poliméricos (método Pechini), el sol-gel, la combustión, la co-precipitación, entre otros. (72,78)
La reforma a vapor del etanol (RVE) es una reacción ampliamente estudiada, recibiendo gran atención de los investigadores (55, 79) debido al elevado potencial de producción de hidrógeno (tres moles de H2 por mol de etanol). Siendo un proceso químico muy complejo con un mecanismo de reacción envolviendo varias etapas catalizadas. (80-84) Muchas otras reacciones pueden ocurrir simultánea o sucesivamente, tales como deshidratación, descomposición, deshidrogenación, formación de carbono, entre otras. (68) Estos estudios muestran que en la RVE el camino de la reacción es probablemente dependiente del catalizador empleado y de las condiciones de reacción.
En la RVE las actividades de los catalizadores disminuyen con el tiempo de reacción, principalmente por la deposición de materiales de carbono sobre la superficie del catalizador. Generalmente esta desactivación se acompaña de un fuerte aumento en la producción de acetaldehído. (85) Este es un problema de la mayoría de los catalizadores a base de metales soportados en óxidos de naturaleza ácida, como zirconio, cerio o alúmina. La adición de especies alcalinas al catalizador para neutralizar sitios ácidos, representa una de las opciones para mejorar el rendimiento a hidrógeno en la reforma a vapor del etanol. (69, 86-88) La neutralización de sitios ácido puede inhibir la formación de productos provenientes de reacciones de deshidratación, probables responsables por la producción de carbono. La adición de especies de carácter básico al catalizador, buscando minimizar la formación de carbono, han exhibido un éxito principalmente respecto al aumento de la estabilidad del catalizador. (42, 46, 86, 89-91)
En la Tabla 1 se resumen algunos catalizadores típicos para la reforma del etanol. Se verifica que los catalizadores a base de níquel tienen un rendimiento a hidrógeno relacionado con el coeficiente molar etanol/agua y con el soporte utilizado. (87) Se observa que la alúmina es más activa en la formación de carbono debido a su fuerte carácter ácido. (81, 87) El rodio es un metal que promueve rendimientos de hidrógeno próximos a la relación cuantitativa, sin embargo, presenta un elevado costo. (92)
Camino de reacción de reforma del etanol
La reforma a vapor del etanol (Ecuación 1) es una reacción fuertemente endotérmica: ∆Hº = 174 kJ/mol y ∆Gº = 65 kJ/mol. Por eso, valores deseables de conversión del etanol y la selectividad a hidrógeno sólo son obtenidos a temperaturas superiores a 500 °C. Los subproductos formados, así como sus cantidades relativas, dependen fuertemente de las condiciones de reacción, destacándose el tenor de agua, la temperatura y el catalizador (68, 70, 93, 94) en general, los metales de transición han presentado un buen nivel de actividad y selectividad para la reforma a vapor del etanol en el siguiente orden: Co > Ni > Rh > Pt, Ru, Cu. (55, 68, 81, 95)
En la Tabla 2 se resumen algunas reacciones observadas durante la reforma a vapor del etanol para diferentes catalizadores. De forma general, muchos de los dos subproductos son convertidos a hidrógeno en reacciones posteriores, por eso no son directamente perjudiciales a la productividad de hidrógeno. Sin embargo, la reacción de metanización está acompañada de un gran consumo de hidrógeno y por lo tanto es muy indeseable.
Reforma interna directa del etanol
En la SOFC con reforma directa del etanol, el mismo (etanol/agua o etanol puro) es alimentado directamente en el ánodo de la célula. En este tipo de SOFCs, el ánodo (electro-catalizador) convierte el etanol directamente en hidrógeno, CO2 u otros subproductos. Los subproductos pueden ser purgados, pudiendo ser usados para realimentar la célula o pueden ser nuevamente aprovechados para otros fines comerciales, dependiendo de su composición. (41)
Aún no se tiene un conocimiento exacto sobre la reacción del hidrógeno resultante de la reforma del etanol en el ánodo, particularmente en la SOFC con reforma directa. (64) El ánodo puede convertir al etanol a hidrógeno y en una reacción posterior el hidrógeno es oxidado a H+ (Ecuaciones 5 y 6). Alternativamente, el ánodo también puede convertir directamente los átomos de hidrógeno presentes en la molécula de etanol en H+ (Ecuación 7):
| C2H5OH + 3 H2O → 2 CO2 + 6 H2 (5) |
| 6 H2 → 12 H+ + 12 e- (6) |
| C2H5OH + 3 H2O → 2 CO2 + 12 H+ + 12 e- (7) |
Las SOFCs alimentadas directamente con etanol tienen la ventaja de ser más simples y menos costosas en relación a las células con reforma externa, principalmente por no demandar producción y purificación de hidrógeno en otras unidades. Sin embargo, ese tipo de configuración presenta grandes problemas a respecto a la formación de carbono. (96) Esto ocurre principalmente porque el níquel es el metal más usado en los ánodos y es un fuerte inductor de la reacción de formación de carbono. (97) La regeneración del ánodo puede ser hecha por medio de oxígeno o vapor de agua, alimentados a la célula degradada, pero no hay garantías de una buena eficiencia de regeneración. Estas maneras de regeneración del ánodo pueden promover la oxidación de su fase metálica. Esta reacción puede causar dilataciones térmicas y grietas en la célula. Este efecto es principalmente serio en la interface ánodo-electrolito, pudiendo comprometer el transporte de portadores de cargas: H+ en la región del ánodo y O2- en la región de la interface ánodo-electrolito. A esto se le suma el hecho de que durante la regeneración del ánodo la fase metálica puede presentar una fuerte sinterización, con la consecuente reducción de la actividad catalítica. (48) Las células alimentadas directamente con etanol presentan diferencias significativas en relación a las células alimentadas directamente con hidrocarburos, como el metano y el gas natural. La reacción de reforma a vapor del etanol alcanza conversiones elevadas a temperaturas entre 500 y 800°C, permitiendo que la célula sea operada con alta eficiencia en éste intervalo de temperatura, dando viabilidad a las IT-SOFC (SOFC que operan en temperaturas intermediarias, esto es entre 500 a 800°C). Esta reducción en la temperatura de operación minimiza parte de los problemas causados por la dilatación térmica de los componentes de la célula; sin embargo, demandará el desarrollo de electrolitos y cátodos más activos en este rango de temperatura. (27) Entre los electrolitos con elevada conductividad entre 700 y 800°C se pueden usar materiales ya conocidos a base de óxido de bismuto, (18, 98) La0,9Sr0,1Ga0,8Mg0,2O3−δ, Gd1,86Ca0,14Ti2O7−δ, La0,9Sr0,1AlO3−δ, cuya conductividad llega a alcanzar 2 mS/cm, (99) en vez de usarse el más tradicional YSZ (Zr0,9Y0,1O2−δ) que exhibe conductividad aproximada de 1 mS/cm a temperaturas en torno de los 1000 °C. (100, 101)
Reforma interna indirecta del etanol
Las SOFCs con reforma interna de etanol son dispositivos que contienen un reformador en el interior de la célula. Este tipo de configuración envuelve el desarrollo tecnológico común a las SOFC de reforma externa. Siendo un tipo de configuración que favorece el aprovechar el calor disipado en los componentes de la célula, sea el calor del reformador para calentar la célula, sea el calor de la célula para calentar al reformador. Es un tipo de configuración bastante apropiada para el acople a co-generadores. (102, 103)
Baily observó que la temperatura de los gases a la salida de la SOFC de alta temperatura, operando en torno de los 1000°C era de cerca de 815°C, luego del precalentamiento del aire. (104) Los gases con estos niveles de temperaturas son capaces de producir vapor con temperatura superior a 540°C, lo que vuelve bastante adecuada a ésta SOFC para un ciclo de generación a vapor. Las temperaturas en torno de los 300°C ya son capaces de promover una conversión del etanol con selectividad a hidrógeno de hasta el 30%, sobre los catalizadores a base de Pt/Al2O3 y Pt/CeO2; (105) el hidrógeno producido puede ser direccionado para alimentar las células. La posibilidad de aplicar co-generadores acoplados a la célula a combustible de óxido sólido, transforma su principal desventaja, la elevada temperatura de operación, en una ventaja técnica pues aumenta el rendimiento global del dispositivo.
Panorama cuantitativo de los estudios sobre SOFC a etanol
Este estudio buscó cuantificar las publicaciones de estudios sobre las SOFCs alimentadas con etanol, sea con la aplicación de etanol directo en la célula o desarrollos de ánodos apropiados. En este estudio se consideraron los artículos y las patentes publicadas.
En las Figuras 4, 5 y 6 se muestran los cuantitativos de los artículos y las patentes publicadas sobre la aplicación del etanol en SOFC. Los datos revelan que las publicaciones se inician particularmente a partir del año 2000. Hay 152 documentos publicados distribuidos de forma creciente desde el 2001 al 2011 incluyendo artículos, revisiones, publicaciones, describiendo eventos y patentes, que muestran testes directos con etanol en SOFC, desarrollo de materiales y estudios teóricos.
Entres los diez países que más se han interesado por el desarrollo en la investigación en esta área de las SOFC alimentadas con etanol se destaca China con 24,2% de toda la producción técnica. Brasil aparece en la octava posición, sin embargo con posibilidades reales de destacarse en los próximos años, auxiliado por las políticas de incentivos financieros a las investigaciones del área de energías alternativas. Estas publicaciones se han realizado en revistas especializadas, tanto nacionales como internacionales. (28, 34, 41, 106, 107)
A respecto de las patentes que indican apropiación de tecnología en el área ya fueron publicados 29 documentos. Estados Unidos, Japón y España se destacan con 14, 8 y 8 patentes cada una, respectivamente. Existen también ocho depósitos internacionales por el PCT (Tratado de Cooperación en Materia de Patentes). Entre los principales depositantes se destacan empresas dedicadas al área de energía como Fuelcell Energy INC. (USA), Inst. Nuclear Energy Res. Atomic Energy Co. (USA) y Ultracell Corp. (USA). Dos importantes instituciones de investigación University of Pennsylvania (USA) y Forschungszentrum Jüelich GMBH (DE) y otras empresas del sector de tecnología de materiales: Seiko Epson Corp. (JP), Hitachi Metals Ltd. (JP) y Delphi Technologies Inc. (USA).
En relación a la posición de Brasil en las publicaciones nacionales en revistas indexadas relacionadas al desarrollo de las SOFC alimentadas a etanol, las mismas responden por 5,3% del total y están concentradas principalmente en los autores de las regiones Sur y Sudeste y del estado de Bahía.
Se observa una fuerte presencia del centro de investigación de Tailandia que está entre aquellos países que realizan elevadas inversiones en investigación y desarrollo en el área de las SOFCs a etanol. Esta posición de Tailandia se explica por el hecho de ser un gran productor de etanol, teniendo 40 usinas en actividad y ya haciendo uso de 10% del etanol añadido a la gasolina para uso vehicular. El país tiene planes para invertir en tecnología para optimizar la producción y diversificar el uso del combustible, principalmente en el área de generación de energía. (108)
En el área de las SOFC alimentadas a etanol, el número de documentos publicados aún es bastante modesto para una tecnología motivada por el elevado rendimiento de la conversión de energía y un fuerte apelo ambiental. El número reducido de publicaciones muestra que aún hay un gran espacio para la inversión en el desarrollo de tecnologías, buscando su viabilidad técnica y comercial. El campo de desarrollo de las SOFCs alimentadas con etanol es una buena oportunidad para la inversión en la formación de recursos humanos e inversiones empresariales.
Conclusiones y Perspectivas
Las SOFCs alimentadas a etanol tienen viabilidad técnica, comprobada por evaluaciones teóricas y están ratificadas por estudios experimentales. Es un importante dispositivo para la generación limpia de energía pudiendo complementar a mediano o largo plazo la matriz energética mundial y principalmente la matriz brasileña. Los resultados experimentales ya indican que las células alimentadas con etanol pueden alcanzar la densidad de potencia en torno de los 450 mW/cm2, que es un número similar a las células alimentadas con hidrógeno; por lo tanto, encorajando o scale up de las células alimentadas con etanol para unidades mayores con capacidades entre 5 y 200 kW. Los estudios en las SOFCs con reforma directa o interna de etanol están avanzando de forma singular, creando expectativas positivas y recursos humanos calificados para alcanzar un nivel de desarrollo tecnológico capaz de generar viabilidad comercial.
Más allá de que el escenario sea de optimismo, respecto de ser viable un dispositivo eficiente y de baja emisión de contaminante en la generación de energía, aún existen grandes desafíos tecnológicos teniendo en cuenta principalmente el hecho de minimizar la producción de carbono por los materiales (electro-catalizadores) usados para transformar al etanol en hidrógeno, ya sea directamente en la célula o en el reformador externo o interno a la célula.
Las elevadas inversiones mundiales, públicas y privadas y los atrayentes aspectos ambientales de la tecnología, sugieren que las SOFCs alcanzarán un alto grado de desarrollo a mediano o largo plazo. Esto permitirá la inserción de las SOFC en el mercado de generación de energía eléctrica siendo una óptima alternativa para la generación descentralizada de energía.
Referencias (Clic)
Fuente: Química Nova, Volumen 35, Número 8, 1635-1643, 2012
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