CO2 y el ciclo del carbono
El dióxido de carbono (CO2) es un gas que se encuentra de forma natural en la atmósfera. El CO2 forma parte del ciclo del carbono y se intercambia constantemente entre la atmósfera, los oceános y la cubierta vegetal. Es así que todos los seres vivos emitimos CO2 durante la respiración, posteriomente, el CO2 se utiliza como alimento durante la fotosíntesis por organismos superiores como las plantas y por organismos microscópicos como las microalgas y las cianobacterias. El equilibrio entre las fuentes que emiten CO2 y los procesos que lo absorben, permitieron que su concentración en la atmósfera no superara las 300 ppm en los últimos 40 mil años.
Fuentes antropogénicas del CO2 y la industria del cemento
La presencia del CO2 en la atmósfera es importante ya que actúa como un gas de efecto invernadero conservando el calor que llega del Sol. Sin embargo, a partir de la industrialización, el ser humano ha contribuído activamente en el incremento de las emisiones de CO2 y otros gases que han desequilibrado el ciclo del carbono, resultando en el incremento de su concentración en la atmósfera. A partir de los años 50´s, las fuentes que más contribuyen con emisiones de CO2 son la quema de combustibles fósiles, la deforestación y cambios en el uso de suelo y la descomposición de carbonatos. La producción de cemento es la mayor fuente de emisiones de CO2 por descomposición de carbonatos. Esta industria es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2 con 1,4 Gt de emisiones de CO2 por año. Los gases de combustión producidos por la industria del cemento contienen CO2 formado durante la producción de clinker, que es el componente principal del cemento. Entre las soluciones para mitigar las emisiones de CO2 se encuentran diversas tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CAC). La mayoría de éstas tecnologías se basan en procesos físicos y/o químicos como la adsorción, absorción, separación por membranas, destilación criogénica y combustión química en bucle. Posterior a la captura, el CO2 se almacena en océanos o en formaciones geológicas. Sin embargo, las tecnologías de CAC representan un riesgo a largo plazo debido a la posibilidad de fuga del gas.
Captura biológica de CO2
En la naturaleza existen diversos organismos que utilizan el CO2 como alimento, a estos organismos se les conoce como autótrofos. Los organismos autótrofos utilizan la energía de la luz, o bien, la energía de compuestos químicos para convertir el CO2 en compuestos complejos como los azúcares, lípidos, proteínas y ácidos nucleícos. Las plantas, las microalgas y las cianobacterias son los principales organismos autótrofos en la tierra. Sin embargo, existen otros organismos autótrofos que tienen la singularidad de no utilizar la luz solar para la captura de CO2. Estos organismos pertenecen a los Dominios Bacteria y Archaea conocidos con el nombre general de quimioautótrofos. Los microorganismos quimioautótrofos en lugar de capturar CO2 utilizando luz como fuente de energía en procesos como la fotosíntesis, utilizan la energía de compuestos inorgánicos a través de diferentes rutas bioquímicas, entre las que destaca la denominada Wood-Ljungdahl. A través de esta ruta de fijación de carbono, un grupo particular de microorganismos conocidos como acetógenos capturan y convierten el CO2 en compuestos orgánicos como etanol, butanol, 2,3-butanodiol y ácidos carboxílicos. Los microorganismos acetógenos son organismos prometedores en la captura de CO2 ya que los productos que generan tienen diversas aplicaciones en la industria actual como combustibles líquidos, en la industria de alimentos y en industria química en general.
CO2-Green – proyecto de base tecnológica
Actualmente, empresas como Oakbio, Phase Biolabs y LanzaTech proponen procesos de captura y conversión de CO2 utilizando acetógenos como la bacteria Clostridium autoethanogenum. Sin embargo, estos proyectos prioneros serán difíciles de implementar con gases reales de la industria del cemento debido a otros compuestos que están presentes en dichas corrientes gaseosas.
Desde 2021, la UNAM patrocina CO2Green que es un proyecto de base biotecnológica para la captura y conversión de CO2 proveniente de emisiones industriales a través de consorcios microbianos. Los consorcios microbianos son asociaciones que se establecen entre diferentes poblaciones de acetógenos para lograr la captura eficiente de CO2 y su posterior conversión en químicos verdes. La primera fase del proyecto estuvo enfocada en la búsqueda de consorcios microbianos capaces de capturar CO2 de gases de la industria del cemento y de gases de rellenos sanitarios. La segunda etapa del proyecto consistió en mejorar la eficiencia y estabilidad del proceso en reactores a escala laboratorio. En el corto plazo, se tiene la perspectiva de aplicar este conocimiento para capturar CO2 de gases que emiten en la industria del cemento y gases de combustión de calderas, y con ello evitar su emisión a la atmósfera. CO2Green tiene como finalidad convertirse en una solución tecnológica mexicana para que las empresas reduzcan su huella de carbono.
Idania Valdez Vázquez, Cecilia Lizeth Álvarez Guzmán – Unidad Académica Juriquilla, Instituto de Ingeniería, UNAM
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