ANÁLISIS DE ARTÍCULOS CIENTÍFICOS / ABSTRACT

Autor (es) Carolina Dominguez Castro

Título/Subtitulo ¿Cuál es la máxima eficiencia con la que la fotosíntesis puede convertir la energía solar en biomasa?

Tema Como generar energía por medio de la biomasa

Contenidos generales de la investigación Que la biomasa también se puede generar por la energía solar

Contenido especifico de la investigación Que la fotosíntesis puede hacer que la energía solar se convierta en biomasa, y la energía solar puede producirse en biomasa hasta un 4,6%

Tipo de proyecto de investigación energía

Información previa/antecedentes Que la fotosintes aprovecha diferentes longitudes de onda de energía radiante con diferentes eficiencias

Importancia de la investigación. La importancia en el artículo es la fotosintesis

Variables Independientes Dependientes Conexión entre ambas

Procedimiento / Protocolos Primero el articulo mostraba lo que la fotosíntesis podía hacer con la energía solar, después cuanta energía solar se puede convertir en biomasa, y después empezó a explicarse todo

Análisis Tipo de Estadísticas usadas/ Mencionadas

Que la fotosíntesis no es solo la fuente de nuestro alimento y fibra, además yo ni siquiera sabia que la fotosíntesis también podía hacer biomasa

Resultado principal Buenísimo el articulo

Recomendaciones En realidad todo me gusto así que no se que recomendar

Observaciones. Me gusto mucho el articulo porque estaba muy bien explicado parte por parte y todo eso

Fuente de consulta y referencia acorde a normas APA

NOMBRE DEL EQUIPO: Power EnergyLIDER:Santiago Cano Molina

GRADO:6°2 FECHA DE LA CONSULTA: 26 de julio de 2014

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE ZACATECAS

MATERIA

SEMINARIO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA DE LA BIOMASA

NOMBRE DEL ARTÍCULO

¿CUÁL ES LA MÁXIMA EFICIENCIA CON QUE LA FOTOSÍNTESIS PUEDE CONVERTIR LA

ENERGÍA SOLAR EN BIOMASA?

NOMBRE DE LA ALUMNA

CAROLINA DOMINGUEZ CASTRO

18/01/2013

"El presente escrito es una traducción y/o interpretación del artículo cuya referencia se

muestra al final del documento, se realizó el blog con fines de divulgación"

Resumen

La fotosíntesis es la fuente de nuestro alimento y fibra. El aumento de la población mundial, el desarrollo económico, y la

disminución de los recursos de tierras pronostica que la duplicación de la productividad es fundamental para satisfacer la

demanda antes de finales de este siglo. Para cumplir con este objetivo se establece la máxima eficiencia de conversión de

energía solar fotosintética, un punto de partida para evaluar el potencial global es examinar la eficacia potencial de cada paso

del proceso fotosintético de captura de la luz a síntesis de carbohidratos. Esto pone de manifiesto la eficiencia de conversión

máxima de energía solar en biomasa, de 4,6% para la fotosíntesis C3 a 30 °C y 380 ppm atmosférico [CO2], y 6% para

la fotosíntesis C4. Esta ventaja sobre C3 desaparecerá cerca de 700 ppm [CO2] atmosférico.

INTRODUCCIÓN

Se prevé que la población mundial crezca a 10 mil millones, y con ello también el aumento de la prosperidad económica de

los países en desarrollo además del crecimiento de la demanda aún mayores en la producción agrícola. Con muy pocas

perspectivas de expansión sostenible 1,5 mil millones ha de tierras de cultivo se necesita la duplicación de la productividad

para satisfacer la creciente demanda antes del final de este siglo. Como consecuencia surge actualmente la biomasa que a

través de la fotosíntesis se utiliza para la producción de todos nuestros alimentos, fibras y biocombustibles que es cada vez

más visto como una fuente de energía renovable. Es más la energía solar que llega a la superficie de la Tierra cada hora (4.3

x1020 J) que la que se consume en el planeta en un año (4.1 x1020 J).

Un importante objetivo de investigación en energía solar para las próximas décadas fue la aplicación de los

avances revolucionarios en la biología y la biotecnología para el diseño de plantas y organismos. Un punto clave de partida

para la identificación y evaluación de los objetivos de la biotecnología para mejorar la eficiencia fotosintética de conversión de

energía solar es una revisión crítica de la máxima eficiencia de conversión fotosintética de energía solar que, teóricamente, se

podría lograr en los ecosistemas gestionados. El propósito del análisis realizado aquí es aprovechar el estado del arte

de la comprensión del mecanismo de la fotosíntesis de las plantas para establecer el límite teórico de la eficiencia de la

fotosíntesis por medio del aprovechamiento de la energía solar para beneficio de la agronomía y la biotecnología.

DESARROLLO

Radiación fotosintéticamente activa en el espectro solar

La fotosíntesis aprovecha diferentes longitudes de onda de energía radiante con diferentes eficiencias, el primer paso es

definir el espectro de energía media de la superficie de la Tierra. La densidad relativa de energía radiante del espectro solar en

la superficie de la atmósfera terrestre está dada por la fórmula de Planck de radiación de distribución: la densidad relativa del

flujo de energía por unidad de intervalo de longitud de onda:

Donde;

: es la longitud de onda (nm)

Ts: es la temperatura en la superficie del sol, que es de aproximadamente 5800 K, c es la velocidad de la luz (3 x1017 nm s -1)

k :es la constante de Boltzmann de (1,38 10 23 kg m 2 s 2 K 1 o JK 1)

h :es la constante de Planck (6,626 10 34 J s).

Fig.1

Moléculas Heteroatómicos de gas en la atmósfera de la Tierra (por ejemplo CO2, H2O, metano, óxido nitroso, etc)

absorben energía radiante en determinadas longitudes de onda infrarrojas.

Estos gases absorben la mayor fuerza en los rangos de longitud de onda de 900- 950, 1100-1150,1350-1450, 1800-1950 nm,

mientras que el ozono y oxígeno eliminan gran parte de la energía por debajo de 400 nm (Figura 1). Los fotones por encima

de 740 nm de longitud de onda contiene la energía suficiente para impulsar una mayor fotosíntesis de las plantas. Sobre la

base de la medida promedio del espectro solar en la superficie de la Tierra, la proporción de energía solar total dentro de la

banda fotosintéticamente activa (400-740) es 48,7%, es decir 51,3% de la energía solar incidente no está

disponible para fotosíntesis de la planta superior (Figuras 1 y 2).

Fig.2.

Pérdida de energía por reflectancia de la

luz fotosintéticamente activa

Debido principalmente a la absorbancia relativamente débil de la clorofila en la banda verde, la vegetación no es un

absorbente perfecto de radiación fotosintéticamente activa (400 -740 nm). Esto, por supuesto, es la razón por la cual la

mayoría de las plantas son verdes y no negras y por lo tanto limita la interceptación máximo de luz (400-740 nm) es de 90%,

es decir, 10% de la radiación fotosintéticamente activa se refleja. Esto representa una pérdida mínima del 4,9% de la

radiación solar total incidente por reflexión (Figura 2). Algunas plantas contienen cantidades variables

de pigmentos fotosintéticos que absorben la luz de estas longitudes de onda (por ejemplo, las antocianinas en la epidermis),

pero la energía no se transfiere a la fotosíntesis.

La rápida pérdida de energía en la relajación de los mayores estados

excitados de la clorofila.

La energía de un fotón es determinada por ,con el resultado de que la energía de un fotón azul (400 nm) es 75% mayor que

el de un fotón rojo (700 nm). Sin embargo, el aumento de los estados excitados de clorofila se relajan muy rápidamente y

foto químicamente es accionado en el centro de reacción fotosintética con la energía de un fotón rojo, independientemente

de la longitud de onda que se absorbe originalmente. Por lo tanto, la fotosíntesis no es capaz de almacenar la

energía adicional de los fotones azules. Para el espectro de superficie solar en el rango fotosintéticamente activa (400-

740 nm) la energía media por mol de fotones es 205 kJ. La energía necesaria para conducir un evento separación de carga en

el fotosistema II (PSII) es de aproximadamente 176 kJ mol -1 (Igual a la energía de un fotón de longitud de onda 680 nm) o

171 kJ mol -1

para el fotosistema I (PSI).

Por lo tanto la pérdida de energía media entre la absorción y la carga de separación-en los fotosistemas será

aproximadamente (205 (176 + 171) / 2) KJ mol -1: Es decir, un mínimo de 6,6% de la energía solar incidente se pierden

irremediablemente como calor debido a la relajación de mayores estados excitados de clorofila (Figura 2).

El tamaño de la pérdida de energía entre el centro de reacción y síntesis de carbohidratos difiere entre C4 y C3 debido a los

diferentes requisitos de ATP de las dos vías fotosintéticas.

Fotosíntesis C3

El ciclo de Calvin o C3 demuestra que tres de ATP y dos de NADPH se requieren para asimilar una molécula de

CO2 en carbohidratos y para regenerar una ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) para completar el ciclo.

En el transporte de toda la cadena lineal de electrones de la absorción de cuatro fotones reducirá una molécula

de NADPH mientras trasloca un máximo de seis protones en el tilacoide lumen; dos de oxidación del agua y cuatro

de oxidación plastoquinol por el citocromo complejo. Dado que dos NADPH, y por lo tanto la absorción de ocho fotones, son

necesarios para la asimilación de uno CO2 en carbohidratos, un máximo de 12 protones son transportados

en el lumen para cada CO2 asimilados. Con 4 protones requeridos para la síntesis de ATP, los 12 protones transportados, sería

simplemente suficiente para soportar la síntesis del ATP 3 requerida para equilibrar 2 NADPH en la asimilación de uno de

CO2. Los ocho moles de fotones rojos, el mínimo requerido para convertir 1 mol de CO2 a carbohidratos, representa 1.388 kJ

de energía. Una sexta parte de un mol de glucosa, es decir, una unidad de carbohidrato 1C, contiene 477 kJ de energía. La

pérdida de energía de electrones mínimo en transporte y la síntesis de hidratos de carbono en el ciclo de Calvin - entre

atrapar la energía en los centros de reacción y la producción de hidratos de carbono es 1- (477/1388), lo que

equivale a una pérdida de 24,6% de la energía contenida en la radiación solar incidente original (Figura 2). Por lo tanto, la

energía máxima eficiencia de conversión de fotosíntesis C3, antes de la foto respiración y la respiración es 12,6% (Figura 2).

Fotosíntesis C4

Por simplicidad entre los tres subtipos principales de C4, vamos a considerar sólo la enzima NADP-málico (ME), C4 incluye

todos los principales cultivos, tales como el maíz, el sorgo y caña de azúcar, y se considera que es el más eficiente. Aquí, se

requieren cinco ATP y dos NADPH para asimilar un CO2, ya que, además de la necesidad de energía del ciclo de Calvin,

dos ATP adicional son necesarios para la fosforilación del piruvato para fosfoenol piruvato. En efecto, estos dos

extra ATP representan una bomba accionada por energía de luz, que transporta el CO2 del mesófilo exterior y la concentra en

el sitio de Rubisco en la vaina fotosintética . C4 elimina o minimiza la foto respiración. En la fotosíntesis C3, hemos

demostrado que la translocación de protones en la reducción de los NADPH se requieren dos para fijar uno CO2 es

justamente suficiente para generar el ATP tres también requerido. En C4, requiere dos ATP adicionales, entonces, incluso con

la máxima eficiencia,el protón de translocación resultante de la reducción de NADPH no cíclico de transporte de electrones

será inadecuado. El Cíclico de transporte de electrones devuelve electrones PSI de vuelta al complejo citocromo b6 / f que

resulta en la translocación de dos protones por fotones dentro del lumen tilacoidal .Para que el flujo

cíclico proporcione los otros ocho protones necesarios para sintetizar los dos ATP , se necesita la absorción de cuatro

fotones adicionales en PSI para un total mínimo de 12 se requerirá por CO2 asimilados en fotosíntesis C4. Siguiendo

nuestro razonamiento anterior para la fotosíntesis C3, la pérdida de energía mínima en el transporte de electrones y la

síntesis de carbohidratos en fotosíntesis C4, entre el centro de reacción fotoquímica y la producción primaria de hidratos de

carbono es 1- (477/2052), lo que equivale a una pérdida del 28,7% de la energía contenida en la radiación solar incidente

original (Figura 2). Por lo tanto, la conversión de energía máxima eficacia de la fotosíntesis C4, antes de

la respiración, es 8,5% (Figura 2).

Pérdida de energía debido a la fotorrespiración

Cataliza junto con la RuBP la oxigenación en la formación de una molécula de glicolato. Dos moléculas de glicolato se

metabolizan a través de la vía C2 libera una molecula de CO2 y la formación de una molécula de fosfoglicerato, que vuelve a

entrar en el ciclo de Calvin. Este proceso conocido como fotorrespiración reduce la eficiencia de la fotosíntesis en tanto que

requiere energía ATP .La oxigenación es inhibida competitivamente por el CO2, de modo que en las plantas C4 la

concentración de CO2 en la Rubisco en las células de la vaina del haz elimina en gran medida la fotorrespiración. Sin

embargo, algunos podrían producirse pérdidas de liberación de CO2 de vuelta a la mesófilo donde será re-fijada en el

coste de energía adicional. Aquí consideramos la máxima eficiencia potencial, es decir, la fotorrespiración cero en las especies

C4.

Para determinar el costo energético de la fotorrespiración se define la relación de RuBP la oxigenación de carboxilación

como

, y calcular la cantidad de ATP asociada con una carboxilación y la oxigenación como 3 + 3,5 , donde 3,5 representa la

red ATP en la vía C2 y el ciclo de Calvin asociado con un evento oxigenación. Por lo tanto, el número de ATP por la fijación de

CO2 es (3 + 3,5 ) / (1- 0,5 ) donde 0,5 representa el hecho de que se libera uno CO2 por cada dos oxigenaciones. La

disminución de la ec causada por fotorrespiración (dpr) es por lo tanto:

La relación de oxigenaciones a carboxilaciones ( ) es:

Los símbolos O y C representan los O2 intercelulares y las concentraciones de CO2. t es el factor de especificidad de

la Rubisco para el CO2 donde la especificidad es la proporción de las probabilidades de carboxilación a la oxigenación. Como

resultado, la pérdida en la eficiencia causada por la fotorrespiración aumenta con la temperatura. El efecto de la temperatura

en t se calcula a partir de las ecuaciones derivadas empíricamente de Bernacchi que producen un t de 71 a 30 °C. Dado este

valor de t, a 380 ppm de [CO2] y un equivalente [O2] del 21%, la máxima ec de las plantas C3 se redujo en 49% a 30 °C, a una

pérdida de 6,1% de la radiación solar interceptada originalmente (Figura 2).

Debido a que esta pérdida es dependiente tanto la temperatura atmosférica y [CO2], (la Figura 3 muestra cómo varía la

eficiencia de conversión de 15 a 45 °C y en diferente [CO2], que representan el promedio de las condiciones del

Pleistoceno (220 ppm), corriente (380 ppm) y los pronósticos para 2100 (700 ppm) .Estas simulaciones muestran una

ventaja muy fuerte para la fotosíntesis C4 en la [CO2] atmosférico que prevaleció durante la mayor parte de los últimos 25 M

años (Figura 3). Esta ventaja ha disminuido debido a la reciente subida de [CO2] y pueden ser eliminados, excepto en el

temperaturas más altas, para el final de este siglo (Figura 3).

Fig.3.

Energía debido a la respiración pérdida

Las pérdidas de energía hasta ahora computado se han derivado de los mecanismos conocidos, bien entendidos y

conservados de la fotosíntesis. Por el contrario no existe ningún mecanismo cuantitativa mente definida de vinculación entre

la tasa de fotosíntesis y la respiración mitocondrial. Esta pérdida final (figura 2) por lo tanto, sólo puede ser una estimación

basada en mediciones empíricas. Coeficientes medidos de pérdida respiratoria CO2 como una fracción de la absorción de

CO2 fotosintético de los principales cultivos varían de 30% a 60%. Se ha demostrado que hay variaciones hereditarias en esta

relación dentro de las especies de cultivo, y la selección de una relación más baja en el caso de ballico (Lolium perenne)

resultó aparentemente en líneas más altas produciendo. Suponemos 30% aquí como la pérdida respiratorio

mínimo que podría lograrse de otra manera sin afectar adversa mente el crecimiento de plantas. Esto representa una

pérdida de la energía solar incidente original de 1,9% (C3) y 2,5% (C4), con el resultado de que las eficiencias de

conversión máximos de radiación solar en biomasa son 4,6% (C3) y% 6,0 (C4) en 30 8C.

CONCLUSIÓN

La fotosíntesis juega un papel muy importe en nuestra vida cotidiana ya que es la fuente de nuestro alimento. En la vida

actual la población mundial se ha ido incrementando y con ello la necesidad de la duplicación de la productividad de tierras.

Por esta razón el objetivo de indicar la máxima eficiencia de la conversión de la energía solar fotosíntetica, un punto clave es

la evaluación del proceso de fotosíntesis para la captación de luz que va de (400-740 nm).a lo largo del proceso

de evolucionista se toman en cuenta las diferentes perdidas y como ya lo mencionamos el proceso entre

ellos fotosíntesis c3, fotosíntesis c4. Esto pone de manifiesto la eficiencia de conversión máxima de energía solar en biomasa,

de 4,6% para la fotosíntesis C3 a 30 °C y 380 ppm atmosférico [CO2], y 6% para la fotosíntesis C4. Esta ventaja

sobre C3 desaparecerá cerca de 700 ppm [CO2] atmosférico.