/. ,'.-

Prodlu'ción d(' Ilidroóg,,·no n partir de In Olluntin cnctiintacta sometida a tratamiento térmico y luminoso.

José Antonio Rodriguez Hurtado(O)

ResumenSe estudió la emisión de H2 , CO2 y vapor de H20 de un cladode de Opuntia cacti bajo condiciones de temperatura y

luz controladas. Se pretende interrumpir el ciclo de Hatch-Slack mediante la estimulación de las enzimas termosensiblesquc cn él apufcccn, es(u para fOf/.ur la cmisión cspontíUlcll del hidrógcno cn curso. Se trabujó u tem¡x.'Tuturas de 25¡CI,

35[C] y 45[Cj contrastadas con mediciones a temperatura ambiente. Los rcsultados indican que sin tratamiento térmico­luminoso no hay emisión detectable de H2, mientras que si se aplica el tratamiento se obtienen concentraciones máximasde 0.14% para 25[C], 0.24% para 35[C] y 0.24% para 45[C]. Se observa que ocurre respiración durante el tratamiento,

la que se ve acelerada con el aumento de la temperatura. Los resultados indican que la temperatura juega IDlpapelfundanlental en la emisión espontánea de H2 y que actúa como un detonante de esta; existe además un umbral detemperatura cercano a los 40[C] donde no obstante se alffi1ente la temperatura no es posible aunlentar la emisión.

1 Introducción

Actualmente existe un creciente

interés hacia el estudio de generación dehidrógeno de fuentes biológicas. Este interéses evidente desde el punto de vista de lainminente necesidad de nuevos combustibles

de origen renovable y compatibles con lapolítica ambiental.

r~:"'tl' 11011'\111 11010 ¡¡,,11I0 In pl"dlll'\'II"1Iespontanea de hidrógeno del c1adode delcactus de la tuna Opuntia Cacti (ficus-indica)cuando se la mantiene intacta (viva) en unhábitat reducido (en un recipiente cerrado),

El propósito es mostrar que bajociertas condiciones ambientales, precisamentetemperatura y luz, existe emisión espontáneade hidrógeno gaseoso.

Todo esto bajo la hipótesis de atacarlas enzimas termosensibles que participan enel ciclo de la respiración, interrumpiendodicho ciclo y forzar la emisión del hidrógenoen tránsito,

Existen trabajos similares sobre laOpuntia cacti; en ellos se trabajó ensoluciones homogeneizadas, es decir, con elcladode triturado; en dichos trabajos seestudió la producción de biogás(principalmente metano) y se llegaron aniveles de emisión interesantemente altos

desde el punto de vista práctico. El actualtrabajo pretende extender el estudio de laOpuntia cacti como fuente de energia, estavez, con miras a la obtención de hidrógeno de1111c1ndnd(' dI' Op lL/I IiR cflcti i/ll flcf () (vi vo)

2 Procedimiento Experimental

Se construyeron dos contenedoresacrilicos idénticos, cada uno de dimensiones 6x 20 x 36 [cm3]. Las aristas fueron selladaspor medio de silicona y reselladas con unasolución de acrilico diluido en cloroformo.

Cada contenedor contaba con un parde perforaciones, la primera lateral dediámetro 4 [cm] y provista de un tapón degoma perfectamente ajustado; con la misiónde proporcionar el intercambio gaseoso con elmedio externo cuando fuese necesario. La

segunda perforación de diámetro l [cm] teniapor objeto la recolección de las muestras

('¡ Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento de Física, Laboratorio

de Biofisica, Casilla 487-3, Santiago, Chile

/. ,'.-

ProdlH.'ción d(' 11idr'ógl-no n partir de In Ollllntin cuctiintacta sometida a tratamiento térmico y luminoso.

José Antonio Rodriguez Hurtado(')

ResumenSe estudió la emisión de H2 , CO2 y vapor de H20 de un cladode de Opuntia cacti bajo condiciones de temperatura y

luz controladas. Se pretende intemunpir el ciclo de Hatch-Slack mediante la estimulación de las enzimas termosensiblesque en c:l apun:cen, esto para for/,ur la emisión espontímell dd hidrógcno cn I;urso. Se trabujó u tempt.'Tuturas de 25¡CI,

35[C] y 45[Cj contrastadas con mediciones a temperatura ambiente. Los resultados indican que sin tratamiento térmico­IllI11inosono hay emisión detectable de H2, mientras que si se aplica el tratamiento se obtienen concentraciones máximasde 0.14% para 25[C], 0.24% para 35[C] y 0.24% para 45[C]. Se observa que ocurre respiración durante el tratamiento,

la que se ve acelerada con el aumento de la temperatura. Los resultados indican que la temperatura juega un papelfundamental en la emisión espontánea de I-h y que actúa como un detonante de esta; existe además un umbral detemperatura cercano a los 40[C] donde no obstante se amnente la temperatura no es posible aunlentar la emisión.

1 Introducción

Actualmente existe un creciente

interés hacia el estudio de generación dehidrógeno de fuentes biológicas. Este interéses evidente desde el punto de vista de lainminente necesidad de nuevos combustibles

de origen renovable y compatibles con lapolítica ambiental.

r~:¡;t{'Ilnh"l" IInln ¡;nlllC' In Jlrndlll't'II"lIespontanea de hidrógeno del c1adode delcactus de la tuna Opuntia Cacti (ficus-indica)cuando se la mantiene intacta (viva) en unhábitat reducido (en un recipiente cerrado).

El propósito es mostrar que bajociertas condiciones ambientales, precisamentetemperatura y luz, existe emisión espontáneade hidrógeno gaseoso.

Todo esto bajo la hipótesis de atacarlas enzimas termosensibles que participan enel ciclo de la respiración, interrumpiendodicho ciclo y forzar la emisión del hidrógenoen tránsito.

Existen trabajos similares sobre laOpuntia cacti; en ellos se trabajó ensoluciones homogeneizadas, es decir, con elcladode triturado; en dichos trabajos seestudió la producción de biogás(principalmente metano) y se llegaron aniveles de emisión interesantemente altos

desde el punto de vista práctico. El actualtrabajo pretende extender el estudio de laOpuntia cacti como fuente de energía, estavez, con miras a la obtención de hidrógeno de11/1c1ndnde de OplLllfiA cl'lcti ¡/llneto (vivo)

2 Procedimiento Experimental

Se construyeron dos contenedoresacrílicos idénticos, cada uno de dimensiones 6x 20 x 36 [cm3]. Las aristas fueron selladaspor medio de silicona y reselladas con unasolución de acrílico diluido en cloroformo.

Cada contenedor contaba con un parde perforaciones, la primera lateral dediámetro 4 [cm] y provista de un tapón degoma perfectamente ajustado; con la misiónde proporcionar el intercambio gaseoso con elmedio externo cuando fuese necesario. La

segunda perforación de diámetro 1 [cm] teníapor objeto la recoleccíón de las muestras

(0) Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento de Física, Laboratorio

de Biofisica, Casilla 487-3, Santiago, Chile

,.'

gaseosas; para esto se fabricó lIDterminal debronce especialmente diseñado para permitirextraer, mediante lIDa jeringa de precisión,muestras gaseosas, a la vez de impedir lafuga. (figura tl1)

En el interior de cada contenedor se

plantó lID cladode de OplIDtia cacti sobre lIDvolumen de 1000 [cm3] de tierra.

a

Figura #1: Montaje del contenedor para elcladode de Opuntia cacti.(a) Válvula de medidas(b) Apertura de intercambio(c) Cladode de Opuntia cacti.

Con el objeto de evitar las fugas, loscontenedores fueron llenados con una mezclagaseosa de aire + H2 y sometidos a la prueba deinmersión. Toda posible fuga fue eliminada conla aplicación del sellante.

El montaje completo se dejó secardurante el periodo de dos semanas para evitarcualquier contaminación en la experiencia debidaa posibles emanaciones de los sellantes. Duranteeste periodo el mont;\ie permancció con lallpCI1Ufll de inten;ulIlhiu llhicflu y ul IIlrc IIhre.pernliliendo el asentamiento del espécimcn a lasnUC\'ascondicioncs.

Se eligió el siguiente procedimientoexperimental :08:00 horas. Se cierra la apertura de intercambioy se somete al cladode a lID baño térmico a latemperatura seleccionada y se conecta la fuenteluminosa.11:00 horas. Primera medida.12:00 horas. Segunda medida14:00 horas. Tercera media.17:00 horas. Cuarta medida.

18:00 horas. Se retira el contenedor deltratamiento térmico-luminoso. y se abre laapertura de intercambio.

Cada medida consistió en el estudio

cromatográfico de dos muestras gaseosas.Sobre ellas se calculó la concentración de

hidrógeno, vapor de agua y CO2 .. El promediodel par de valores constituyen la medida.

Para los bailas térmicos so trabajó contres temperaturas, a saber: 25[C], 35[C] y45[C], por ser éstas cercanas a lastemperaturas propias de la enzimastemlOsensibles. Además se estudió, como

referencia, la emisión sin tratamiento térmico­luminoso.

Este itinerario diario se repitió durantelID período de diez días en cada cladode encada lIDa de las temperaturas señaladas; laexperiencia completa constó del estudio de doscladodes.

El análisis cromatográfico de lasmuestras gaseosas fue realizado en lID

cro~atógrafo de gases Konik , KN~ ~?06, :} J. ,')eqUipado con lID detector de conductIbIlidad {.~< cJ!-.t1'-< ~

térmica, como gas portador se utilizó N2 con (J.0r U" ~ e 1un flujo de 20 [mI/.ninJ La fase estacionariacon lIDa red molecular de 5 [A] fue mantenidaa lIDa temperatura de 30[C]. El detector einyector permanecieron a lIDa temperatura de100e.

La calibración del cromatógrafo se hizomediante contraste con una muestra patrón deSllIlIumu Sl.:olly 11.

('¡.bc mcncionar que el hccho de usarportador de gas N2 " no permite la medición deeste mismo gas ni tampoco la del ~ dada que

ambos gases tienen conductibilidad térmica muy .F . lsimilar. De este modo, el J3ulk de las muestras es e U1JJ<.v,

de N2 + ~ , que asumimos a lID 80% Y 20%respectivanlente.

El tratamiento térmico fue

proporcionado por lIDa estufa termoestatadaTRILAB y la fuente luminosa por lIDabombilla eléctrica de 60[W].

3 ResultadosSe aplica el tratamiento termico­

luminoso, primero a una temperatura de25[C].

\

.{ -----

Los resultados se pueden apreciar de latabla 2 y esquemáticamente en el gráfico tl2.

Concerrtraciontls de O!ll!l:es

Espécimen CON tnrtllrniento 1126(C]

Gráfico #2: concentraciones de gases parJ elcspécimen con tratamiento a 251C1.

Tabla #2

Tiempo [horas]

La concentración de CO2 crece, pero auna tasa menor que el caso sin tratamiento, Ensu punto más alto, la concentración de COz

llega a ser del 1.24% , lo que es menos de lamitad que el controLLos niveles de vapor de agua decrecentambién.

Aparece una muy pequeña emisión dehidrógeno desde las 14:00. Probablemente laumisiÓII us cOllslulllu uusuu el COllliulI:.t:O dd

tratamiento pero sólo desde las 14:00 se haacumulado suficiente H2 para que la cantidadsea medible.

u;oo..,;.::.':,} 0.00 6.35 0.00• < '· •• ·\1·' ..'·.

:1~;()9,.'40",,;<kJ 0.40 6.00 0.00':.;: ~.'>. ' •.~>~.~':~.¡.,:'i

"14;OO/'/>}~ 0.65 5.32 0.09':17iOOi, ;..~:;.:~ 0.24 4.52 0.14Tabla #2: concentraciones. de gases para elespécimen con tratamiento a 25[C].

••• ' I • I12 14 16 18

Tiempo [horas]

O'OO8L

8,006,0040,0020.000

10

~4#.e:e 3(.)~eQ) 2(.)eo

<..)

Primero se realizó el ciclo para elcladode sin tratamiento, estas medidas seránreferidas como medidas de control.

Gráfico # 1: concentraciones de gases para elespécimen sin tratamiento (control).

Concentraciones de Gases

Espécimen~ tratamiento

Tabla #1

Podemos ver que la concentración deCO2 aumenta en el transcurso del día; esto lopodemos atribuir a el proceso de respiraciónque se está llevando a cabo.

De modo similar. la concont ración duvapor d~ agua dlsminuy~ en el tiempo.

En ninguna de las medidas se vioevidencia de presencia (dentro del rango delinstrumento) de hidrógeno en las muestras.

La lah/a 111 mucstm los resultadosnuméricos calculados dc las cromalogral1as de losdio dias cn estudio.

:11:0~f..:l~>iii0.70 4.50 0.00:"l \. ····;:··-,··,,4.,·-''\:i

r?~~:OO3¡,~~~ll.20 4.24 0.00,.'14:00,'\Ú,:,j 1.70 3.75 0.00,17;QOg,,:;ii}t 2.65 3.08 0.00Tabla # 1: concentraciones de gases para elespécimen sin tratamiento (control).

-t,:--r'. \' .

L-:..-

i.~

181612 14

Tiempo [horas]

10

(..) -4'

(1l•...eQ)(..)eoo

Concentraciones de Gases

Especímen CON tnrt.miento • 46(C)~Á co,<:;¡ H20

• H2

y adjunto está el gráfico #4.

Para 1<1 regresión efectuada sobre los datos deemisión de Hz se obtuvo una tasa de

crecimiento de la concentración de 0.03 mi perhora. No debemos olvidar que en esta cifra seve reflejada la emisión de H2 tanto como laacumulación del mismo en el contenedor.

Tabla #4

e'o

Por último se incrementó la temperatura deltratamiento hasta los 45[C].

La siguiente tabla (tabla #4) presenta losresultados.

Los patrones son muy similares alcaso de 35[C], de hecho la emisión máxima esla misma.

Esto nos hace inferir que hemosalcanzado el umbral de excitación de laenzimas termosensibles. El ciclo está

Gráfico #4: concentraciones de gases para elespécimen con tratamiento a 45[C].

U:oo.;I".~/~;0.80 5.80 0.02,li:,inÚ\;1~r:~~f~1.40 5.20 0.05T14:00:~)\;%1:(\ 1.96 4.50 0.1217:0U ... :: 3.15 3.46 0.24Tabla #4: concentraciones de gases para elespécimen con tratamiento a 451c].

el

~~J"'-·_:··_~·~"-·-Il. 12 I~ ,. '*

Tiempo [horas]

1.

O.'

O,

Ó,

5,

5.

~4,e 4.'0

.]o~ : ..

2.

2,

El procedimiento continua y ahora se trabajaen Wl baiio termico de 35(eJ.

Los cálculos de concentraciones sobre las

cromatografias dan los valores de la tabla #3.

Concentraciones de Gases

Espécimen CON tnltuniento 8 35(C)

Los que a su vez se plasman en el gráfico 1/3.

Gráfico #3: concentraciones de gases para elespécimen con tratamiento a 351c].

Tabla #3".'1

t

El comportamiento se repite; el COz

crece en el tiempo mientras que el vapor deHzO disminuye. Nuevamente atribuimos estoal proceso de respiración.

Debemos notar si que bajo estascondiciones de extrema temperatura larespiración es estimulada (o acelerada) pueslos volúmenes de gas COz respirados en igualtiempo crecen.La emisión de Hz también se ve afectada por latemperatura. Para un baño de 25[C]obtuvimos una máxima emisión de 0.14%,luego a 35[C] la emisión se vio incrementadaa 0.24% lo que es -58% más.

t.'"r,.

,

interrumpido, incrementar la temperatura noresultará en un aumento de la emisión.

4 Discusión

El resultado es satisf:1ctono. horllOSmostrado que es posible mducir la cmision deH} mediante condiciones controladas

Sin embargo existen errores

sistemáticos en la experiencia. Las fugas (enel contenedor y durante la recolección demuestras) están presentes de modo

permanente, sobre todo para el H2 que es ungas difícil de contener.

Otro error sistemático es lacontaminación de las muestras debida al

medio ambiente durante el proceso derecolección, esto se trató de suplir con el usode jeringas de precisión.

No es posible hacer una comparacióndirecta con experiencias similares, sinembargo si comparamos con los resultadosobtenidos con cladodes molidos, podemosmencionar que las emisiones de H2 con elcladode intacto son sensiblemente menores(~1.4% del máximo obtenido con c1adodcsmolidos con aditivos digestivos).

La emisión actual es insuficiente paraconcebir un diseño de una planta energéticaprototipo. Sin tlInbargo es UII punto de partidapara futuras investigaciones sobre el tema quepuedan resultar en concentraciones de emisión

mayores, probablemente estimuladas porinyección al sistema de sustanciasparticipantes en el ciclo como ácido málico omediante la inhibición de crecimiento

limitando las sales nitrogenadas que sirven alcladode como nutriente.

5 Conclusiones

Vemos que la emisión espontánea deH2 en el Opuntia cacti es muy sensible a latemperatura.

Para temperaturas ambientales y encondiciones normales, es decir, sintratamiento; no existe emisión de H2, sinembargo bajo tratamiento térmico-luminoso setubo éxito 011 1••obtonción de H¡

Al aUlIlentar la tomporatuflI. a 2:'i[C)eXIste una pequeila cantidad de gas H2

liberado. Para la escala de la experiencia, estocorresponde a un volumen de 4.4 [cm3] dentrodel contenedor en un períQdo de tratamiento de9 horas.

Con una temperatura de 35[C] laemisión se ve aumentada considerablemente

con respecto al caso anterior, se alcanza un

máximo de concentración de 0.23%, lo queequivale a un volumen de 7.4[cm3], en iguallongitud de tiempo.

Por último al aumentar la temperaturahasta 45[C] podemos observar que la emisión

de gas de Hl no es conside~ablemente afectadaobteniéndose resultados similares al caso de35[C].

Se observa qu~ ocurre respiración. Alaumentar la temperatura esta respiración so veacelerada, esto se deduce basados en los

volúmenes de CO2 respirados que aumentansegún crece la temperatura.

Parece existir una temperaturaespecifica donde la emisión de Hl es mayor.Esto podria interpretarse (basados en lahipótesis de las enzimas termosensibles) comoel umbral de temperatura para las cuales lasenzimas termosensibles son atacadas y el cicloes interrumpido efectuándose entonces laemisión del H2 en tránsito.

6 Referencias

[1]Matsunaga, T., Mitsui, A.: Biolt:chnol.Bioeng. Symp., 12,441 (1982)[2] Contreras, S. : Production from a

suspension of homg. Cladodes of the Op.Cacti.

,\

y