PIGMENTOS CAROTENOIDES DE LAS MICRO ALGAS EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.


Crisis energética e impacto ambiental de los Combustibles Fósiles.

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El uso indiscriminado de Combustibles Fósiles en la generación de energía eléctrica y el aumento de la población mundial ha logrado forjar un impacto ambiental negativo exuberante en la Biosfera, Hidrosfera y atmosfera del Planeta Tierra. Todo debido a los procesos de combustión y generación de Gases de efecto invernadero (GEI) que a pesar de grandes esfuerzos mundiales como el protocolo de Kyoto no han logrado disminuir problemáticas como el Cambio Climático, Calentamiento Global y Efectos de la Niña y el Niño en Colombia. Así mismo se han pensado estrategias de tipo administrativo, pedagógico, ingenieril y científico para la disminución de dichas problemáticas.
En esta ocasión, dadas las problemáticas se propone el uso de microorganismos para la generación de energía eléctrica mediante pigmentos carotenoides de micro algas, relacionando así la disminución de GEI en el planeta tierra, por la transición de energías a base de combustibles fósiles a energías verdes de origen Biológico. Además el uso de nuevos prototipos de energías alternativas disminuirá la crisis energética actual, que a pesar de encontrarnos en la era tecnológica aun grandes poblaciones no cuentan con servicios básicos de energía, ejemplo de esto son las comunidades indígenas de la Guajira-Colombia que por dificultades de tipo geográfico, económicos y accesibilidad necesitan de alternativas que se puedan dar in situ.
Por ultimo cabe destacar que la disminución de la oferta de combustibles fósiles coloca en una situación dependiente a las grandes ciudades, pues el aumento del costo y escases del recurso poseen un crecimiento exponencial. Sin mencionar, la importancia que deben tener las organizaciones gubernamentales en garantizar la energía eléctrica a todo su territorio para los servicios básicos como salud, vivienda digna y alimentación.

Desarrollo tecnológico de Energía Alternativa a partir de los Pigmentos Carotenoides de las Micro algas.

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Las micro algas son organismos generalmente unicelulares que habitan gran diversidad de hábitats, producen la mayor cantidad de oxígeno en los océanos y lagunas, y generan macromoléculas como lípidos y carbohidratos. Son los principales sistemas aportadores de oxigeno con mayor eficiencia que las planta mediante la fotosíntesis y poseen gran valor Biotecnológico en la producción de biocombustibles, alimentos y generación de productos cosméticos. Actualmente la búsqueda de alternativas energéticas ha  creado mecanismos para aprovechar los sistemas biológicos de los microorganismos en el aprovechamiento de la electricidad.

El crecimiento de micro algas se ve afectados por los siguientes factores abióticos:

  • La luz: Es la fuente principal de energía, generalmente la radiación solar. Muchas de las micro algas son de tipo autótrofas por lo que a partir del Carbono Inorgánico y la radiación solar realizan procesos de Fotosíntesis que le permiten su sobrevivencia.
  • La temperatura: Su temperatura óptima es de 15 a 26°C, teniendo mayores resultados a los 23°C. La disminución de temperatura provoca la inhibición de su crecimiento. Entre mayor sea, mejor será su metabolismo.
  • El pH: Entre 4 a 9, aunque preferiblemente debe ser neutro. Esto va ligado a la cantidad de CO2 disuelto en el ambiente. Mayores concentraciones mayor rendimiento de Biomasa.

  • Los Nutrientes Disponibles: Los nutrientes principales son el carbono, el nitrógeno y el fósforo, en orden de importancia descendente. El nitrógeno está relacionado con el metabolismo primario al ser parte de los ácidos nucleicos y las proteínas; las especies de micro algas con rápidos crecimientos prefieren el NH4 (Hasta 18mg/l) + que el NO3 - como fuente de N, cuando estas crecen en un ambiente con déficit de N, tienden a generar una mayor cantidad de lípidos como respuesta a ese estrés ambiental.


El crecimiento de Micro algas se puede llevar a cabo en un cultivo en Bioreactores, en donde existen dos tipos: i) Sistemas cerrados Fotobiorreactores. Ii) Sistemas Abiertos a cielo abierto.

Los carotenoides son una amplia familia de isoprenoides que contienen una serie de dobles enlaces conjugados que constituyen el grupo cromóforo de la molécula, responsable del color y de las propiedades de absorción de estos compuestos. Los carotenoides se dividen en dos grupos: carotenos y xantofilas. Los carotenos son hidrocarburos lineales o cíclicos en uno o ambos extremos de la molécula. Las xantofilas son derivados oxigenados de los carotenos. Las micro algas, levaduras y otros microorganismos, producen algunas de las xantofilas que actualmente se comercializan debido a su color y capacidad antioxidante, como es el caso de la astaxantina.


En micro algas, los carotenoides primarios, como la luteína, actúan como componentes estructurales y funcionales del aparato fotosintético de las células y, por tanto, son esenciales para su supervivencia en condiciones de cultivo foto autotrófico.

Los carotenoides se forman a partir de los isoprenos de 5C ramificados, el isopentenil pirofosfato (IPP) y dimetilalil pirofosfato (DMAPP).

El IPP se sintetizaba mediante la ruta del mevalonato (MVA) y posteriormente se isomerizaba por la isopentenil pirofosfato isomerasa (IPI) a DMAPP. Sin embargo, una ruta alternativa independiente de la del MVA, denominada ruta del no mevalonato, ruta del 1-deoxi-D-xilulosa 5-fosfato (DOXP) o ruta del 2-C-metil-d-eritritol 4-fosfato (MEP), definida completamente hace tan sólo unos años, es la principal responsable de la síntesis de carotenoides en tejidos fotosintéticos. La diferencia principal entre ambas rutas, aparte de su localización, reside en el paso de condensación inicial. En la ruta MVA, el IPP se sintetiza por condensación de tres moléculas de acetil-CoA, mientras que la ruta MEP se produce por la condensación de piruvato y D-gliceraldehido-3-fosfato. Además, la ruta MEP, a diferencia de la ruta MVA, produce en el último paso IPP y DMAPP. En plantas y algunas clases de algas la ruta MVA, localizada en el citoplasma, suministra precursores para la biosíntesis de esteroles citosólicos, citoquininas, poliprenoides y ubiquinona mitocondrial, mientras que la ruta MEP, localizada en los cloroplastos, produce precursores para isoprenoides plastídicos tales como carotenoides, fitol, fitohormonas, cadena lateral de la plastoquinona y productos mono y diterpenos de plantas y algas. Existen numerosas evidencias que indican que las algas verdes han perdido la ruta MVA citosólica para la formación de IPP y la ruta MEP suministra los bloques constructores para la biosíntesis de todos los isoprenoides celulares.



Aunque la ruta MEP produce IPP y DMAPP como productos finales, los cloroplastos también contienen la enzima que interconvierte ambos isómeros (IPI), indicando el papel esencial de este enzima en proporcionar un suplemento balanceado de IPP y DMAPP. El DMAPP se convierte en geranilgeranil pirofosfato (GGPP) por la adición consecutiva de tres moléculas de IPP. La condensación de dos moléculas de GGPP catalizada por la fitoeno sintasa (PSY) produce el primer carotenoide lineal de 40 átomos de carbono, el fitoeno (15-cisfitoeno). A partir del fitoeno se sintetizan el resto de carotenoides por una serie de desaturaciones y ciclaciones; y las xantofilas por hidroxilación, oxidación o epoxidación de los correspondientes carotenoides.



En organismos fotosintéticos , una de las funciones mas importantes de los carotenoides , es la de proporcionar protección contra la combinación potencialmente dañina entre el oxigeno y los rayos UV , y molecula lipofilica fotosensibles como bacterioclorofila o clorofila. Un ejemplo de la necesidad de estas moléculas es la muerte por daño fotooxidativo. Los carotenoides tienen la capacidad de inactivar radicales libres.



MENGYUE A. (2016). Describiendo la obtención de Luteina- Carotenoide a partir de Microalgas.


La  clorofila  pertenece  también  a  este  grupo  de  pigmentos  fotosintéticos; adicionalmente,   los   carotenoides   son   considerados   pigmentos accesorios   y ayudan  a  ampliar  el  espectro  de  absorción,  sirviéndoles  de  esta  manera  como fotoprotectores en caso de que existiera luz excesiva. Los  carotenoides  son  importantes  ya  que  evitan  posibles  daños  en  las estructuras,  al  recibir  energía  lumínica  en  exceso.  Estos  compuestos  tienen  la capacidad de disipar en forma de calor la energía lumínica, que la clorofila u otros pigmentos no pueden asimilar. En el proceso de la fotosíntesis, los carotenoides son  considerados  pigmentos  accesorios,  sin  embargo  se ha  estudiado  que también  ayudan  en  la  eliminación  de  sustancias  que  pueden  reaccionar  con  el oxígeno,  es  por  esto  que  son  considerados  antioxidantes.  En  el  proceso  de  la fotosíntesis  el  oxígeno  reacciona  con  la  clorofila  en  nivel  energético  excitado  y esto produce un singlete de oxígeno que puede reaccionar con las moléculas de clorofila, oxidando a las microalgas. Si la energía lumínica sobrepasa el nivel aceptado, el  oxígeno  presente  se  vuelve  tóxico  para  el microrganismo,  los  carotenoides  son  los encargados de disipar esta energía, eliminando el radical peróxido y las clorofilas excitadas en forma de calor al sistema.

En cuanto a los carotenoides y la biotecnología ambiental, se puede decir que su  aplicación  más  importante  se  da  en  la  fabricación  de  células  fotovoltaicas sensibilizadas  con  pigmentos  naturales.  Se han  empleado  estas  sustancias  para mejorar  la  eficiencia  de  las  celdas  tradicionales  y además  bajar  el  costo  de  su fabricación.  Mediante  el  uso  de  los  carotenoides,  se  puede  lograr  emplear  los rayos  solares  como  energía  lumínica  y  transformarlos  a  energía  química  o eléctrica  dependiendo  del  uso.  Esta  aplicación  se  ha  podido  desarrollar  por  el estudio  que  se  ha  dado  a  la  fotosíntesis  en plantas  y  por  esto  se  han  generado estos  dispositivos,  para  cambiar  el  uso  de  combustibles  fósiles  por  fuentes  de energía renovable y en este caso los carotenoides.

Esta  aplicación  tienen  un menor  costo  en  los  procesos  de  fabricación  que  en  los  procesos  de  una  celda fotovoltaica. Ya  que  se  ha  reemplazado  al  silicio  por óxido  de  titanio  o zinc. Asimismo,  los  pigmentos  fotosintéticos  que  se  emplean  en  la  fabricación  de celdas  solares, ayudan  al  sistema  a  ampliar su  rango  de longitud  de  onda  en  el espectro,  y son  de  fácil  obtención; sin  embargo, estos  pigmentos  tiende a degradarse con rapidez.





Referencias:

Producido por: Juan David Serrato - Maria Jose Cartagena - Jisel Carolay Mateus.




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