Obtienen hidrógeno a partir de bacterias y residuos de biodiésel

Un equipo de investigadores del grupo Biotecnología Molecular del área de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Cádiz ha obtenido hidrógeno mediante un proceso biotecnológico que transforma subproductos de la industria de los carburantes en materia prima para producir este biogás. Para ello, han empleado dos microorganismos, uno encargado de convertir glicerol -compuesto generado en grandes cantidades durante la fabricación de biodiesel– en ácido málico, un producto químico que está presente de forma natural en frutas y que es utilizado por la otra bacteria para generar hidrógeno. 

Con este estudio, los expertos han demostrado a escala de laboratorio la posibilidad de obtener este biogás de forma sostenible aplicando el modelo de economía circular en biorrefinerías de biodiésel, es decir, reutilizando desechos y restos industriales con el fin de otorgarles un valor añadido enfocado a la producción de una fuente de energía limpia, alternativa sostenible a los combustibles fósiles.  

Pruebas de laboratorio.

Este sistema combina dos tipos de microorganismos que trabajan de forma secuencial. Por un lado, utiliza una cepa de Escherichia coli –bacteria que habita en el intestino humano de forma inofensiva- para obtener ácido málico a partir de restos de glicerol. Para ello, los investigadores consiguieron diseñar una cepa de E. coli capaz de transformar de forma eficiente el glicerol en ácido málico, proceso que esta bacteria normalmente no hace. Mediante un proceso denominado fermentación oscura que no requiere luz, los expertos consiguieron que este microorganismo consuma glicerol y produzca este componente químico. 

Para el diseño de esta cepa modificada de E. coli, los investigadores utilizaron tanto la ingeniería metabólica como la biología de sistemas, disciplinas científicas que pretenden, por un lado, modificar el metabolismo de una célula para obtener un compuesto de interés de forma más eficiente, y por otro lado utiliza las matemáticas y la bioinformática para implementar estas modificaciones. 

Durante esta fase, los científicos lograron obtener concentraciones de ácido málico cercanas a 11 gramos por litro en aproximadamente 24 horas. “Esto supone la mayor concentración reportada producido en bacterias usando glicerol como fuente de carbono. Además, comprobamos que, este sistema puede funcionar, al menos, por un periodo de 72 horas, llegándose a duplicar la producción de ácido málico con la misma concentración”, detalla a la Fundación Descubre el catedrático de la Universidad de Cádiz y autor del estudio Jorge Bolívar. 

En una segunda fase del proceso, una vez obtenido el ácido málico, los investigadores lo emplearon como sustrato para la bacteria Rhodobacter capsulatus que produce hidrógeno mediante fotofermentación, un proceso en el que la energía de la luz impulsa una serie de reacciones en las que se produce este biogás. “De esta forma, el sistema que hemos diseñado posibilita que en una misma factoría se pueda producir biodiésel y con los desechos de fabricación, el glicerol crudo, obtener hidrógeno como fuente de energía”, explica Bolívar. 

Equipo de investigación.

Otra de las novedades de este estudio, titulado Production of hydrogen from crude glycerol via an integrated process of L-malate biosynthesis by Escherichia coli and photofermentation by Rhodobacter capsulatus y publicado en la revista Microbial Cell Factories, es que el sistema no requiere purificar el ácido málico antes de la segunda etapa, ya que la bacteria fotosintética puede aprovechar directamente los compuestos presentes en el medio de fermentación. “Esto simplifica el proceso y reduce costes, lo que facilita su aplicación industrial”, aclara Antonio Valle, investigador de la Universidad de Cádiz y coautor del trabajo.

Durante el proceso, utilizaron además microbiorreactores de última generación del Instituto de Investigación de Biomoléculas INBIO de la Universidad de Cádiz, que permiten la monitorización y control simultáneos de temperatura, oxígeno y pH del hidrógeno obtenido. “Este proceso es incluso más eficiente que usar glicerol puro”, matiza Valle.

Baja huella ambiental 

El hidrógeno está considerado como uno de los combustibles con mayor potencial en la transición energética, ya que su utilización no produce emisiones de dióxido de carbono. “Sin embargo, gran parte del hidrógeno que se produce actualmente en el mundo se obtiene a partir de combustibles fósiles. Por ello, el desarrollo de métodos sostenibles para generarlo constituye uno de los grandes retos de la investigación energética”, indica Valle.

Los expertos recalcan que este proceso contribuye a valorizar un residuo abundante de la industria del biodiesel como el glicerol del que se generan más de 50 millones toneladas anualmente. “Actualmente es uno de los principales residuos de las biorrefinerías de biodiésel y, aunque puede tener diferentes usos industriales, su acumulación representa un desafío para la sostenibilidad del sector”, apunta Bolívar. 

Muestras de microorganismos obtenidas en el proceso de investigador.

En este sentido, los expertos subrayan que, aunque aún es necesario seguir investigando para optimizar el rendimiento del sistema y evaluar su viabilidad a gran escala, este enfoque supone un avance hacia modelos de producción energética en un contexto de economía circular y respetuosos con el medio ambiente. En paralelo, y también en colaboración con la profesora Gema Cabrera del área de Ingeniería Química de la UCA, están estudiando un sistema equivalente para la revalorización del bagazo de cerveza, residuo sólido resultante de la elaboración de esta bebida, como materia prima para producir hidrógeno. 

Según incluyen los autores en su publicación, este trabajo cuenta con financiación de la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y de la Cátedra Fundación Cepsa.

Reportaje iDescubre. De residuos a energía limpia: así fabrican combustible las bacterias

Referencias

José L. Marcos, Gema Cabrera , Daniel F. Hernández 1, Beatriz Luque 4, Antonio Valle 5 6, Jorge Bolívar 7 8: ‘Production of hydrogen from crude glycerol via an integrated process of L-malate biosynthesis by Escherichia coli and photofermentation by Rhodobacter capsulatus‘. Microbial Cell Factories. 

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