Fotofermentación: hidrógeno gracias a la luz y a las bacterias púrpuras – estado de la investigación

La fotofermentación es un proceso en el que las bacterias púrpuras no sulfurosas (entre otras, Rhodobacter sphaeroides y Rhodopseudomonas palustris) transforman los ácidos orgánicos en hidrógeno aprovechando la energía de la luz. De la producción de H₂ se encarga la enzima nitrogenasa que, en ausencia de nitrógeno molecular, reduce los protones a hidrógeno a costa de ATP. Teóricamente, el acetato puede transformarse por completo en H₂ y CO₂, pero en la práctica la eficiencia es limitada y los reactores requieren grandes superficies iluminadas. Por ello, la tecnología sigue en fase de laboratorio y de proyectos piloto.

Mecanismo

Las bacterias fototróficas absorben la luz mediante la bacterioclorofila y generan un gradiente de protones del que se obtiene ATP. La nitrogenasa utiliza ATP y electrones procedentes de la oxidación del sustrato (ácidos orgánicos) para reducir los protones a hidrógeno. Para el acetato, el balance se expresa de forma simplificada así: CH₃COOH + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ (con un aporte de luz suficiente). En la naturaleza, la nitrogenasa sirve para fijar nitrógeno y el hidrógeno es un subproducto; en ausencia de N₂ y con un bajo contenido de amoniaco, todo el flujo de electrones se dirige hacia el H₂.

Condiciones del proceso

• Luz: se requiere una fuente con el espectro adecuado (infrarrojo cercano y luz visible); en los reactores se utiliza luz solar o lámparas LED.
• Ausencia de oxígeno: el oxígeno inactiva la nitrogenasa.
• Nivel bajo de amoniaco: el NH₄⁺ inhibe la enzima, por lo que el sustrato debe tener una relación C:N elevada.
• Temperatura: normalmente 30–35°C.
• Sustrato: ácidos orgánicos (acetato, butirato, lactato); lo favorece la combinación con la fermentación oscura.

Sistema híbrido

La fermentación oscura produce H₂ y ácidos orgánicos, que son precisamente el sustrato de las bacterias púrpuras. El acoplamiento de ambas etapas permite, en teoría, extraer del azúcar una cantidad próxima al máximo de 12 moles de H₂ por mol de glucosa (4 en la primera etapa y 8 en la segunda). En la práctica se obtiene mucho menos, porque los cultivos son sensibles y el efluente de la primera etapa contiene inhibidores (amoniaco, exceso de sales, compuestos fenólicos).

Barreras

1. Iluminación. La luz debe llegar a todo el volumen y la densidad de las bacterias reduce rápidamente su penetración. Los reactores deben tener una gran superficie en relación con el volumen (paneles poco profundos, tubos), lo que eleva los costes.
2. Eficiencia de conversión de la luz. En la bibliografía, la eficiencia de aprovechamiento de la luz a escala de laboratorio se sitúa normalmente en unos pocos puntos porcentuales; otras pérdidas se deben a las variaciones de la intensidad de la luz a lo largo del día y del año.
3. Variabilidad e inhibición. Un exceso de amoniaco o de oxígeno detiene la producción.
4. Contaminación del cultivo. El funcionamiento continuo en condiciones no estériles favorece a los microorganismos ajenos.
5. Coste. Superficie, luz artificial o grandes cantidades de espacio, equipos de supervisión y control.

Ejemplo de cálculo

Supuestos: queremos producir 100 kg de H₂ al día (≈ 3,3 MWh de energía PCI). Suponiendo que el biorreactor alcanza un flujo de 5 mmol de H₂ por litro y hora (valor ilustrativo para buenos resultados de laboratorio) y funciona 10 horas al día con iluminación suficiente: en 1 l se producen 50 mmol de H₂ ≈ 0,1 g. Volumen necesario: 100.000 g / 0,1 g/l = 1.000.000 l = 1000 m³. Un reactor iluminado de ese volumen, con una profundidad de capa de, por ejemplo, 5 cm, requeriría una superficie de 20.000 m² (2 ha), y ello para una producción bastante modesta de 100 kg de H₂ al día. Es un cálculo que muestra la escala de la dificultad, no un pronóstico.

Madurez tecnológica

La fotofermentación es objeto de investigación científica, incluso en proyectos piloto de distintos países, pero no funciona a escala comercial. La mayoría de las evaluaciones la consideran una tecnología con un bajo nivel de madurez (laboratorios, pilotos). Para utilizarla en la producción de hidrógeno a partir de residuos serían necesarios avances en el diseño de los reactores, en la estabilidad de los cultivos y en la integración con otros procesos.

Dónde puede aplicarse

En biorrefinerías que, a partir de una sola corriente de residuos, producen hidrógeno, biometano y otros productos, y también como etapa de depuración de aguas residuales ricas en ácidos orgánicos. En las condiciones de Polonia, la estacionalidad de la insolación limita el aprovechamiento de la luz solar, por lo que se considera la iluminación artificial, que consume energía y empeora el balance.

Qué observar en los informes científicos

Al leer las publicaciones, compruebe la escala del reactor (mililitros, litros, metros cúbicos), la intensidad de la luz, el tipo de sustrato (acetato puro o residuo real) y la duración del experimento. Los rendimientos elevados indicados en mmol/l/h en cultivos puros y series cortas no se traducen directamente en un funcionamiento continuo con residuos. La cautela es tanto más importante cuanto que, en las notas de prensa, los resultados de laboratorio se presentan a veces como soluciones comerciales listas para usar.

Resumen

La fotofermentación aporta al debate sobre el biohidrógeno la idea de un aprovechamiento más completo de los residuos, pero su escalado es difícil. Conviene seguir las investigaciones, sin dar por hecho, no obstante, que la tecnología llegará al mercado en los próximos años.