{"id":90209,"date":"2011-04-01T00:00:00","date_gmt":"2011-04-01T00:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2011\/04\/01\/jugo-de-cana-en-biocelulas\/"},"modified":"2017-02-17T16:06:17","modified_gmt":"2017-02-17T18:06:17","slug":"jugo-de-cana-en-biocelulas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/jugo-de-cana-en-biocelulas\/","title":{"rendered":"Jugo de ca\u00f1a en bioc\u00e9lulas"},"content":{"rendered":"

\"art4402img1\"EDUARDO CESAR<\/span><\/a>El jugo de ca\u00f1a de az\u00facar, ese aliado de los pasteles salados fritos de las ferias libres callejeras en Brasil, es un firme candidato a producir energ\u00eda el\u00e9ctrica en unas peque\u00f1as cajas pl\u00e1sticas destinadas funcionar como bater\u00edas de celulares, reproductores de MP3 o incluso notebooks<\/em>. Estos dispositivos, en los cuales los az\u00facares del guarapo act\u00faan como combustible, y que llevan el nombre de bioc\u00e9lulas, constituyen una de las promesas m\u00e1s recientes surgidas en el campo de las fuentes energ\u00e9ticas alternativas. En 2007, la empresa Sony mostr\u00f3 uno de esos prototipos existen varios en el mundo alimentado con glucosa, destinado a abastecer de energ\u00eda a un peque\u00f1o reproductor de m\u00fasica. Adem\u00e1s de los az\u00facares, pueden utilizarse otros combustibles: etanol, metanol y agua de alcantarillado. En lo atinente al jugo de ca\u00f1a, la primera demostraci\u00f3n estuvo a cargo de un grupo de investigaci\u00f3n de la Universidad Federal del ABC (UFABC), con sede en la ciudad de Santo Andr\u00e9, Regi\u00f3n Metropolitana de S\u00e3o Paulo. La producci\u00f3n de electricidad a base de jugo de ca\u00f1a fue posible merced a la s\u00edntesis de una enzima en laboratorio que potencia la reacci\u00f3n qu\u00edmica encargada de convertir el az\u00facar en electricidad.<\/p>\n

\"074_Biocelula_182_01\"<\/a>Las bioc\u00e9lulas de combustible han surgido con una creciente importancia cient\u00edfica y tecnol\u00f3gica en los \u00faltimos a\u00f1os. Las publicaciones de estudios referentes a dichos dispositivos treparon desde comienzos de los a\u00f1os 1990. De los cinco art\u00edculos que salieron en revistas cient\u00edficas en 1989 a los 240 publicados en 2010, de acuerdo con un trabajo de la profesora Adalgisa de Andrade, del Departamento de Qu\u00edmica de la Facultad de Filosof\u00eda, Ciencias y Letras de la localidad paulista de Ribeir\u00e3o Preto, de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP). Son estudios normalmente realizados en asociaci\u00f3n entre diversas instituciones. Adalgisa, por ejemplo, desarrolla bioc\u00e9lulas que se valen del etanol como combustible, y mantiene una colaboraci\u00f3n con la profesora Chelley Minteer, de la Universidad de Utah, Estados Unidos, coordinadora de un grupo que ya ha producido varios trabajos en el \u00e1rea. Frank Nelson Crespilho, coordinador del Grupo de Materiales y M\u00e9todos Avanzados de la UFABC que utiliza el jugo de ca\u00f1a en sus bioc\u00e9lulas, mantiene colaboraciones con la Universidad de Corea del Sur, la Universidad de Grenoble, Francia y, en el \u00e1mbito del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnolog\u00eda de Electr\u00f3nica Org\u00e1nica (Ineo), con la Universidad Federal do Piau\u00ed.<\/p>\n

Uno de los focos de estos estudios relacionados con las bioc\u00e9lulas de combustible es la potencia, que a\u00fan es muy baja, lo que se transforma en un obst\u00e1culo para su implementaci\u00f3n comercial. La bioc\u00e9lula elaborada en la UFABC, con jugo de ca\u00f1a y la nueva enzima, genera 60 milivatios (mW) por cent\u00edmetro cuadrado (cm2) operando con una tensi\u00f3n de 0,39 voltios (V), lo que representa un 26% del voltaje de una pila tipo AAA, de 1,5 V. Puede aumentarse el voltaje poniendo varias c\u00e9lulas a funcionar en serie, afirma el profesor Frank Crespilho, coordinador del estudio. \u00c9sa fue la f\u00f3rmula hallada por Sony en su prototipo que gener\u00f3 1,5 milivatio por cm2 y 0,8 V en total. El experimento de la empresa cont\u00f3 con el apoyo cient\u00edfico del profesor Kenji Kano, de la Universidad de Kioto, Jap\u00f3n.<\/p>\n

\"074_Biocelula_182_02\"<\/a>La carrera tecnol\u00f3gica actual apunta precisamente a aumentar la potencia y el tiempo de funcionamiento de estos artefactos, que supera actualmente las 10 horas. Otras vertientes de los estudios tienen que ver con la generaci\u00f3n de energ\u00eda a partir de los desag\u00fces, al extraer electrones de la materia org\u00e1nica, y con la miniaturizaci\u00f3n que har\u00eda posible la instalaci\u00f3n de estas c\u00e9lulas en el propio organismo humano. El combustible en ese caso, en lugar de ser el jugo de la ca\u00f1a de az\u00facar, podr\u00eda ser la propia glucosa de la sangre. Uno de los actuales retos con relaci\u00f3n a las bioc\u00e9lulas de combustible consiste en ponerlas en microchips<\/em>; elaborar una microbioc\u00e9lula o una nanobioc\u00e9lula implantable y que funcione como una bater\u00eda de marcapasos, para liberar medicamentos en el organismo o para detectar niveles de glucosa, dice el profesor Crespilho, quien, a los 32 a\u00f1os, es tambi\u00e9n jefe de la Divisi\u00f3n de Propiedad Intelectual del N\u00facleo de Innovaci\u00f3n Tecnol\u00f3gica de la UFABC. Para medir corrientes muy bajas en bioc\u00e9lulas extremadamente peque\u00f1as, Crespilho y su equipo desarrollaron un software <\/em>y compraron un aparato destinado a eliminar los ruidos de los cables de artefactos electr\u00f3nicos y tratar las se\u00f1ales del ambiente, con financiamiento de la FAPESP.<\/p>\n

Alta eficiencia
\n<\/strong>Las bioc\u00e9lulas funcionan de manera an\u00e1loga a una bater\u00eda, convirtiendo energ\u00eda qu\u00edmica en electricidad y en forma muy parecida a lo que sucede en las c\u00e9lulas de combustible que producen energ\u00eda el\u00e9ctrica artefactos ya fabricados a pedido por algunas empresas, incluso en Brasil con el hidr\u00f3geno como principal combustible. Son aparatos que normalmente poseen m\u00e1s de cinco kilovatios de potencia, lo suficiente como para abastecer con electricidad c\u00f3modamente a una casa para cuatro personas. Las bioc\u00e9lulas de combustible que est\u00e1n en la fase de investigaci\u00f3n cient\u00edfica y tecnol\u00f3gica constituyen una promesa de producci\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica alternativa porque, a ejemplo de sus primas mayores, tienen una alta eficiencia energ\u00e9tica, pues gastan poco combustible en la conversi\u00f3n de energ\u00eda en comparaci\u00f3n con los motores de gasolina o gasoil, por ejemplo. Todo esto de manera silenciosa y sin dejar gran cantidad de gases o residuos contaminantes.<\/p>\n

La ventaja que se vislumbra con esos peque\u00f1os aparatos radica en el aspecto biol\u00f3gico presente en los catalizadores, de origen org\u00e1nico, producidos con enzimas o microorganismos. \u00c9stos promueven la reacci\u00f3n qu\u00edmica necesaria para la producci\u00f3n de electricidad, en lugar del platino de las c\u00e9lulas de combustible, que es muy caro, por ejemplo. De esta forma, el equipo coordinado por Crespilho logr\u00f3 desarrollar una enzima sintetizada bajo la forma de un comp\u00f3sito formado por nanoestructuras de oxihidr\u00f3xidos de hierro y un pol\u00edmero org\u00e1nico llamado polidialidimetilamonio (PDAC), que se aplica en el c\u00e1todo, uno de los polos de un sistema electrol\u00edtico, es decir, una bater\u00eda, que produce o deja fluir los electrones, en este caso extra\u00eddos de los az\u00facares del jugo de la ca\u00f1a, del lado del \u00e1nodo. Otra mejora del grupo fue el uso de poliamida en la estructura de la c\u00e9lula, un producto barato y elegido casi que por casualidad en la visita a una f\u00e1brica de pl\u00e1sticos de Santo Andr\u00e9.<\/p>\n

\"art4402img2\"EDUARDO CESAR<\/span>Para entender este estudio bioelectroqu\u00edmico, al cual, debido a la adopci\u00f3n de compuestos nanotecnol\u00f3gicos se le ha dado en llamar nanobioelectroqu\u00edmica, es necesario recordar que las c\u00e9lulas de combustible y tambi\u00e9n las bio requieren elementos oxidantes y reductores para perder y ganar electrones. En las c\u00e9lulas se instala una membrana polim\u00e9rica llamada membrana de intercambio de protones, emparedada entre los lados del \u00e1nodo y el c\u00e1todo de la bioc\u00e9lula. Como la corriente es continua, los electrones fluyen hacia el otro lado, y son recibidos en el otro polo. En la membrana pasan \u00fanicamente los \u00e1tomos sin electrones, los protones. Crespilho tambi\u00e9n estudia bioc\u00e9lulas sin membranas entre ambos polos. En ese caso, producimos una bioc\u00e9lula en la cual los electrodos se sumergen en una soluci\u00f3n con glucosa, agua, per\u00f3xido de hidr\u00f3genio (H2O2), m\u00e1s conocido como agua oxigenada, y dos tipos de enzima, una glucosa oxidasa y la otra que es nuestra enzima con nanopart\u00edculas de \u00f3xido de hierro. Esa bioc\u00e9lula mostr\u00f3 su eficacia con una mayor velocidad en la reacci\u00f3n electroqu\u00edmica que algunas que figuran en la literatura, dice Crespilho.<\/p>\n

La enzima sint\u00e9tica que desarrollamos mimetiza un mecanismo natural de enzimas del tipo de las peroxidasas. De este modo, mientras se extraen los electrones de los az\u00facares para el \u00e1nodo, otros electrones se inyectan en el c\u00e1todo y la enzima sint\u00e9tica acelera la rotura de las mol\u00e9culas de per\u00f3xido de hidr\u00f3geno. De acuerdo con los investigadores, una enzima biomim\u00e9tica es m\u00e1s barata, estable y eficiente que las naturales. El trabajo desarrollado por el alumno de doctorado Marccus Victor Martins consisti\u00f3 en envolver el \u00f3xido de hierro en una capa del pol\u00edmero org\u00e1nico sintetizado en forma de agujas. La enzima inmovilizada sobre un electrodo que contiene fibras de tela de carbono es sumergida en un medio salino, con el jugo de ca\u00f1a y otros aditivos que forman el ambiente natural de la enzima. El problema mayor es mantener la estabilidad de la misma durante m\u00e1s de 10 horas. Si la enzima se degrada, la corriente cae, dice Crespilho, quien encabeza el grupo desde hace tres a\u00f1os en la universidad inaugurada hace cinco a\u00f1os.<\/p>\n

Sin perturbar
\n<\/strong>Los experimentos del grupo de Crespilho tambi\u00e9n abarcan otra posibilidad ubicada en el mundo de las bioc\u00e9lulas: el uso de microorganismos como la levadura Saccharomyces cerevisiae<\/em>, la misma presente en la fermentaci\u00f3n del etanol, del pan y la cerveza. Son microorganismos que digieren el az\u00facar, dice Crespilho. La mayor dificultad consiste en extraer electrones sin perturbar o matar a la Saccharomyces<\/em>. Mediante una serie de estrategias qu\u00edmicas, los investigadores lograron tanto mantener al microorganismo como producir electricidad con \u00e9ste inmovilizado en un electrodo de carbono. De acuerdo con la literatura cient\u00edfica, m\u00e1s de 20 microorganismos, principalmente bacterias, se han utilizado con \u00e9xito en experimentos con bioc\u00e9lulas.<\/p>\n

El uso de electrodos con microorganismos no se encuentra en el campo de estudios de la profesora Adalgisa de Andrade, de la USP de Ribeir\u00e3o Preto, quien escribi\u00f3 un art\u00edculo en el cual efect\u00faa un resumen de las actividades relacionadas con las bioc\u00e9lulas enzim\u00e1ticas en todo el mundo en 2010. Andrade desarrolla bioc\u00e9lulas que emplean etanol como combustible, compuestas por enzimas que rompen el alcohol, como las deshidrogenasas presentes incluso en el h\u00edgado para la digesti\u00f3n de bebidas alcoh\u00f3licas. El m\u00e1s reciente resultado del grupo que ella lidera es el desarrollo de \u00e1nodos con nanoestructuras inmovilizadas, que contienen pol\u00edmeros org\u00e1nicos y deshidrogenasas m\u00e1s estables, con mayor densidad de corriente el\u00e9ctrica y que funcionan hasta 90 d\u00edas.<\/p>\n

Hicimos un trabajo de mezclar enzimas y pol\u00edmeros y ponerlos encima de la superficie de carbono preparada para recibir electrones, adem\u00e1s de orientar esas capas para que el electrodo se vuelva m\u00e1s estable y con una potencia mayor, dice Adalgisa, quien cont\u00f3 durante los estudios con la colaboraci\u00f3n de la posdoctoranda Juliane Forti. Con estos nuevos arreglos, su grupo logr\u00f3 que una bioc\u00e9lula con una potencia de 0,28 milivatios por cm2 funcionase con etanol. Adalgisa y Frank Crespilho forman parte de un selecto grupo de investigadores que heredaron el desarrollo de las bioc\u00e9lulas del profesor Michael Potter, de la Universidad de Durham, en el Reino Unido, quien en 1912 demostr\u00f3 la producci\u00f3n de electricidad con bacterias Escherichia coli <\/em>en un sustrato org\u00e1nico. La primera bioc\u00e9lula elaborada \u00fanicamente con enzimas surgi\u00f3 m\u00e1s de 50 a\u00f1os despu\u00e9s, en 1964, de la mano de un grupo de investigadores de la empresa Space-General Corporation, de California, Estados Unidos. Es un largo camino que, al cabo algunos a\u00f1os m\u00e1s, podr\u00e1 resultar en una nueva alternativa energ\u00e9tica.<\/p>\n

Los proyectos<\/strong>
\n1.<\/strong> Interacci\u00f3n entre biomol\u00e9culas y sistemas celulares con nanoestructuras OD, 1D, 2D utilizando m\u00e9todos electroqu\u00edmicos (n\u00ba 2009\/15558-1<\/a>); Modalidad\u00a0<\/strong>Ayuda Regular a Proyecto de Investigaci\u00f3n;\u00a0Coordinador<\/strong>\u00a0Frank Nelson Crespilho UFABC;\u00a0Inversi\u00f3n<\/strong>\u00a0R$ 92.262,80 y US$ 50.821,57 (FAPESP)
\n2.<\/strong> Desarrollo de una bioc\u00e9lula de combustible utilizando enzimas alcohol dehidrogenasa inmovilizadas por automontaje (n\u00ba 2008\/05124-1<\/a>); Modalidad<\/strong>\u00a0Ayuda Regular a Proyecto de Investigaci\u00f3n;\u00a0Coordinadora<\/strong>\u00a0Adalgisa Rodrigues De Andrade USP;\u00a0Inversi\u00f3n<\/strong>\u00a0R$ 73.622,30 y US$ 29.031,76 (FAPESP)<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos
\n<\/em>MARTINS, M.V.A. et al<\/em>. Iron (III) nanocomposites for enzyme-less biomimetic cathode: A promising material for use in biofuel cells<\/a>. Electrochemistry Communications<\/strong>. v.12, n.11, p. 1.509-12. 2010.
\nAQUINO NETO, S. et al.<\/em> R. Development of nanostructured bioanodes containing dendrimers and dehydrogenases enzymes for application in ethanol biofuel cells<\/a>. Biosensors and Bioelectronics<\/strong>. v. 26, p. 2.922-26. 2011.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Una alternativa energ\u00e9tica para producir electricidad","protected":false},"author":10,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[280,296],"coauthors":[97],"class_list":["post-90209","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es","tag-bioquimica-es","tag-energia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/90209","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/10"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=90209"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/90209\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=90209"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=90209"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=90209"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=90209"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}