8 de febrero de 2012

Generando electricidad a traves de la fotosintesis

Por un lado tenemos que una de las energías renovables no convencionales mas divulgadas es la energía solar, siendo su mayor problema el alto costo asociado a los paneles solares que intercambian la energía lumínica por energía eléctrica.

Por otro lado tenemos a las plantas y su particular proceso denominado fotosíntesis, que utiliza la energia luminica del sol para poder obtener energia en forma de ATP (fase dependiente de la luz o fase clara), la que despues utilizan para poder obtener carbohidratos a partir del dióxido de carbono que obtienen de la atmósfera (fase independiente de la luz o fase oscura).

En la imagen a su lado, pueden ver la hoja, luego un corte transversal que muestra la disposición celular dentro de la hoja y finalmente el detalle de un cloroplasto.

En el corte transversal pueden ver dos cosas: La zona que recibe la luz solar o haz, presenta mayor cantidad de células con cloroplastos, mientras que en el reverso de la hoja o envés, se encuentran esas zonas "vacías" que están llenas de aire y es donde ocurre el intercambio de gases (CO2 con O2).

Es finalmente en el cloroplasto, y particularmente en la membrana de los tilacoides donde la planta utiliza la luz solar para comenzar el proceso fotosintético comenzando con la producción de ATP.

En la membrana de los tilacoides se encuentran los complejos proteicos que cosechan la luz del sol, los denominados Fotosistemas. Son ellos los que al ser expuestos a la luz se liberan dos electrones, los cuales van pasando por toda una cadena de proteinas que transportará los electrones desde el Fotosistema II hasta el Fotosistema I, lo que generará un gradiente de protones que activará la producción de ATP mediante un complejo de proteínas especializada (ATP sintasa). Ese viaje que realizan los electrones basados en excitaciones sucesivas se conoce como el esquema Z.


Andreas Mershin junto a un equipo de investigadores decidió utilizar el Fotosistema I como una versión mas económica de panel solar, y que decidió unirlo a nanofibras de Zinc o Titanio para poder conducir esos electrones y transformarlos en energía eléctrica, obteniendo valores miles de veces mayores que cualquier otro metodo biotecnologico basado en los fotosistemas de las plantas.




El Fotosistema I o plastocianina:ferredoxina reductasa, orquesta 96 moléculas de clorofila con moléculas que entregan o aceptan electrones, característica que la vuelve muy eficiente en transferencia de energía. Hasta el momento la investigación sobre fotosistemas se solía hacer como complejos proteicos inmovilizados o aislar los centros de reacción del fotosistema en electrodos planos. Sin embargo, esto presenta dos grandes obstáculos: La denaturación del complejo al ser dispuesto sobre el electrodo y la baja energía obtenida de éstos, haciendo que el interés por esta tecnología fuese mínimo, sin contar que eran metodos costosos.

En el trabajo de Mershin, ellos desarrollaron lo siguiente: El Fotosistema I fue obtenido desde la cianobacteria Thermosynechococcus elongatus, el cual fue mantenido durante meses en un tensoactivo o surfactante hecho a la medida para poder estabilizarlo.



En la imagen pueden ver el Fotosistema I en su forma natural o nativa (a), mostrando el paso de los electrones desde el Plastocianina hasta la Ferredoxina, cuyo transporte esta mediado por una serie de cofactores.  En (b) pueden ver el esquema que realizaron los investigadores para crear dos tipos de celdas biofotovoltaicas.

El cirocromo C y la plastocianina fueron reemplazadas por el electrolito Z813 que tentregará los electrones al fotosistema; además se eliminó la ferredoxina.

En la celda biofotovoltaica que utiliza dióxido de Titanio (TiO2), se creo una lámina con poros que permite el acople entre el Fotosistema I y ésta. Todo esto sobre un vidrio FTO (fluorine-doped tin oxide). Éste  vidrio aumenta la superficie efectiva en 200 veces para poder captar luz.




En la celda biofotovoltaica que utiliza nanohilos de Oxido de Zinc (ZnO), también se intercambia PsaE por una version modificada con una secuencia que tiene alta afinidad por ZnO. El nanohilo de Zinc, tambien presenta un conductor llamado ITO (Indium-Tin-Oxide) (el que aumenta la superficie efectiva en 30 veces) y el Fotosistema esta cubierto por un surfactante peptídico denominado A6K (6 Alaninas + 1 Lisina).

Al comparar ambas celdas biofotovoltaicas, se puede observar que: los nanohilos de ZnO pueden mover la carga 100 veces mas rapido que la superficie de Titanio, además que los nanohilos son económicamente mas accesibles. Sin embargo, el desempeño de la superficie de Titanio es superior. Mas aún, la densidad de corriente eléctrica es 10 veces mayor con Titanio con respecto a los nanohilos de Zinc.

Estos sistemas generaron un voltaje de 0,5 V con un rendimiento de 71% en una superficie de 0,159 cm2. Además, se obtuvo una densidad de corriente de 362000 nA/cm2 (las investigaciones anteriores en celdas biofotovoltaicas solo llegaban a 30 nA/cm2). De esta manera, Mershin y su grupo de investigadores crearon una celda biofotovoltaica que registró magnitudes de corriente 10000 superiores a cualquier otra celda que se esté estudiando en este momento.




ResearchBlogging.org

Mershin, A., Matsumoto, K., Kaiser, L., Yu, D., Vaughn, M., Nazeeruddin, M., Bruce, B., Graetzel, M., & Zhang, S. (2012). Self-assembled photosystem-I biophotovoltaics on nanostructured TiO2 and ZnO Scientific Reports, 2 DOI: 10.1038/srep00234

3 comentarios:

valdeandemagico dijo...

EL PETROLEO ES UNA ENERGÍA RENOVABLE, EL PETROLEO NO SE ACABARÁ NUNCA.

Este es el resultado del ciclo de los hidrocarburos dentro de la teoría del todo de Valdeandemagico. Se emite CO2 al espacio, circula por la atmósfera, hasta que una pa......rte entra por los polos gravitaciones de la tierra, desde ahí va al centro de la trituradora de Valdeandemagico, y con el colapso, se rompe el CO2 y el H2O y se crea CnHm, hidrocarburos, los cuales son expulsados, y…. mas información en : http://valdeandemagico.blogspot.com/2012/02/el-petroleo-es-una-energia-renovable.html

Anónimo dijo...

flaco, estas rechapa

Mario dijo...

Como me dedico al tema de la biología me interesa poder conocer de que forma se puede utilizar distintos procesos biológicos para hacer mas fácil y mejor nuestra vida. Es por eso que con mi samsung smart tv suelo ver muchos programas que refieren a esta clase de procesos