Las termitas generalmente no provocan mucho amor. Pero sorprendentemente Este insecto que come madera puede ser la clave para transformar el carbón, una gran parte contaminante del suministro energético mundial, en energía más limpia para el mundo. según investigadores de la Universidad de Delaware.

En la revista American Chemical Society Energía y combustibles , El profesor de la UD Prasad Dhurjati y su equipo de investigación describen en detalle cómo una comunidad de microbios intestinales de termitas convierte el carbón en metano, el ingrediente principal del gas natural. El estudio, que produjo modelos informáticos del proceso bioquímico paso a paso, fue una colaboración con ARCTECH, una empresa con sede en Centreville, Virginia, que ha estado trabajando con estos microbios durante los últimos 30 años. ARCTECH proporcionó al equipo de la UD los datos experimentales que se utilizaron para validar los modelos.

"Puede parecer una locura al principio, los microbios del intestino de las termitas comen carbón, pero piense en lo que es el carbón. Es básicamente madera que se ha cocinado durante 300 millones de años, "dijo Dhurjati, quien está en la facultad del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la UD.

Hace eones árboles y otras plantas de los enormes bosques que una vez cubrieron la Tierra murieron y cayeron en los pantanos. Capas sobre capas de esta vegetación fueron sometidas a alta presión y temperatura de las fuerzas geológicas, formando vetas de carbón. La antracita es la más dura, carbón ardiente más limpio, seguido de bituminoso, carbón subbituminoso y lignito.

Ahora, considere la termita (de las cuales hay alrededor de 3, 000 especies diferentes en todo el mundo). Según la Asociación Nacional de Manejo de Plagas, las termitas causan más de $ 5 mil millones en daños a la propiedad cada año. Pueden comer madera y extraer energía de ella, gracias a unos miles de microbios que viven dentro de sus intestinos. Esta densa comunidad de organismos microscópicos trabaja en conjunto para digerir la celulosa y la lignina que dan rigidez a las paredes celulares de las plantas.

Estos mismos microbios pueden digerir el carbón, liberando metano y produciendo materia húmica, un fertilizante orgánico beneficioso, como subproducto. Cada microbio contribuye a uno o más pasos en este intrincado proceso de digestión, en el que hay cientos de pasos, y donde el producto de un microbio puede servir como alimento para el siguiente.

"Estos microbios hacen millones de mellas quirúrgicas en el carbón, utilizando enzimas derivadas de una amplia gama de genes, "Dijo Dhurjati.

Varias empresas han intentado comercializar esta degradación microbiana del carbón, pero han fallado debido a la complejidad que implica hacer que una comunidad de microbios trabaje junta. Sin embargo, ARCTECH ha logrado que los microbios conviertan el carbón en gas metano, así como productos húmicos orgánicos útiles para la agricultura, limpieza de agua y reciclaje de residuos.

"Nuestros modelos informáticos ahora permiten diseñar con éxito, operar y controlar procesos a escala comercial, " él dijo.

Los modelos informáticos analizan procesos complejos

Durante la última década, Dhurjati y una docena de estudiantes de investigación de la UD analizaron minuciosamente todos los pasos en la conversión de carbón en gas natural por parte de los microbios de las termitas. Desarrollaron modelos de computadora, conocido técnicamente como un "modelo matemático cinético agrupado" y un "modelo de conectividad de reacción, "describiendo cada reacción bioquímica como la comunidad microbiana de las termitas transforma el carbón en un combustible más limpio. Químicamente hablando, los microbios:una mezcla de bacterias, protistas y hongos:primero convierta el carbón en grandes hidrocarburos poliaromáticos, que se degradan aún más en ácidos grasos de cadena media, luego en ácidos orgánicos, finalmente produciendo metano.

El modelo cinético simplifica y "agrupa" los cientos de pasos en unos pocos intermedios importantes. Estos intermedios bioquímicos se incorporan luego a un modelo matemático que se puede utilizar para identificar dónde se rompe el proceso y cómo volver a ponerlo en marcha.

¿Los microbios necesitan más comida? ¿Es la temperatura óptima? Los modelos sirven como herramienta cuantitativa, proporcionando información crítica para abordar las necesidades nutricionales de los microbios y para solucionar problemas de cuellos de botella metabólicos y puntos de estrangulamiento. Los modelos también se pueden utilizar para simular las condiciones de una mina de carbón, un ambiente muy diferente al intestino de las termitas.

La tecnología basada en microbios ya se ha implementado en grandes tanques llamados biodigestores sobre el suelo, y Dhurjati ahora está buscando colaboradores para probar la tecnología bajo tierra, en una mina de carbón profunda.

"Esta innovadora biotecnología tiene el potencial de convertir 'carbón sucio' en 'carbón limpio, '", dijo." Eso sería un gran beneficio para el medio ambiente y para la economía ".

En busca del 'carbón limpio'

El carbón representa actualmente casi el 30 por ciento del suministro energético mundial y alrededor del 40 por ciento de su generación de electricidad. según el Comité de Recursos Terrestres de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina.

Si bien el carbón sigue siendo vital para el suministro energético mundial, también tiene fama de sucio, peligroso para los trabajadores, y perjudicial para la salud humana y el medio ambiente. La quema de carbón libera contaminantes tóxicos al aire, como el mercurio, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y hollín, contribuyendo a enfermedades respiratorias. El carbón también es conocido por generar más emisiones de gases de efecto invernadero cuando se quema que el petróleo o el gas natural. Genera casi el doble de dióxido de carbono por unidad de energía que el gas natural.

En lugar de quemar carbón, Dhurjati quiere usar microbios intestinales de termitas para digerirlo, Liberación de gas natural.

"Esto haría que la energía a base de carbón fuera mucho, mucho más limpio hasta que el mundo tenga tiempo de cambiar por completo a las energías renovables como la eólica y la solar, " él dijo.

El mundo tiene un estimado de 1,1 billones de toneladas de carbón; estas son reservas que pueden extraerse con la tecnología existente. según la Administración de Información Energética de EE. UU. Se estima que esa cantidad durará unos 150 años más con las tasas de producción actuales, dijo la Asociación Mundial del Carbón. China e India son los mayores consumidores de carbón, y Estados Unidos tiene las mayores reservas probadas de carbón.

Sin embargo, menos del 5 por ciento del carbón del mundo se considera "explotable". Según la Administración de Información Energética de EE. UU., 90,7 por ciento de todos los combustibles fósiles en todo el mundo se encuentran en aguas profundas, vetas de carbón inminente, seguido del carbón extraíble con un 4,8 por ciento, gas natural al 2,3 por ciento, y aceite al 2,2 por ciento.

La gran mayoría del carbón se encierra bajo tierra en vetas 1, 000 pies o más de profundidad, equivalente a tres Estatuas de la Libertad apiladas una encima de la otra y más.

En un proceso llamado extracción de metano en lecho de carbón, que ha sido apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. desde la década de 1980, Se perforan agujeros o "pozos" desde la superficie hasta las vetas de carbón subterráneas para acceder al metano atrapado hace siglos cuando se formó el carbón. Varios estados de EE. UU., así como Australia e India, utilice este método.

Dhurjati dijo que espera desplegar mineros de microbios en uno de estos sitios para alimentarse del carbón y producir un flujo constante de gas natural. entubado a la superficie.

"ARCTECH tiene los microbios y la tecnología, y nuestros modelos de computadora nos han ayudado a descubrir factores clave y limitaciones que previamente impedían la comercialización de la tecnología bajo tierra, ", dijo." La tecnología está lista para funcionar ".

Un 'recurso de igualdad de oportunidades'

Dhurjati considera que el carbón es "un recurso que ofrece igualdad de oportunidades". Aunque Estados Unidos alberga el suministro más grande del mundo, más de 70 países tienen recursos de carbón.

"Nuestro objetivo es ayudar a los países a utilizar el carbón de forma segura, camino limpio, a medida que el mundo continúa con la transición hacia las energías renovables, "Dhurjati dijo." Este es uno de los proyectos más importantes en los que he estado involucrado, y tiene el potencial de cambiar las reglas del juego ".

Abhilash Sharma, un senior de UD con especialización en ingeniería de Marietta, Georgia, y el primer autor del artículo, se ofreció como voluntario para hacer una investigación en el equipo de Dhurjati cuando era un estudiante de segundo año y ha continuado desde entonces porque dijo que cree profundamente en el trabajo.

"El carbón es tan increíblemente abundante que sería incorrecto ignorarlo, ", Dijo Sharma." Nos estamos moviendo hacia una nueva mentalidad en la que, en lugar de enviar a la gente a la clandestinidad, enviaremos microbios bajo tierra y dejaremos a las personas de arriba para que se ocupen de lo que provocan los microbios. Al hacerlo, también daríamos a la gente muchas más habilidades para futuros trabajos ".