Combustible Derivado de La Yuca

5/23/2018 Combustible Derivado de La Yuca

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Universidad Nacional De Trujillo Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Mecnica y Energa

Combustibles Renovables MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Dr. Bacilio Quiroz Avelino Javier

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COMBUSTIBLE DERIVADO DE LA

YUCA - MANDIOCA


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RESUMEN

Los combustibles obtenidos a partir de materia vegetal, como el etanol y el biodiesel,

estn tomando importancia en la dinmica energtica mundial, gracias principalmente

a que son ms econmicos y menos contaminantes del medio ambiente que los

combustibles fsiles. El mercado de biocombustibles ha producido un incremento en

las reas de cultivo tanto de plantas regularmente usadas como materia prima para su

obtencin como de aquellas con potencial de ser nuevas fuentes de produccin, al

igual que ha impulsado la investigacin bsica orientada hacia el incremento en

calidad y produccin de diferentes cultivos. Las plantas que almacenan cantidades

importantes de almidn, azcares simples o aceites son el blanco principal para la

produccin de biocombustibles, aunque nuevas tecnologas estn permitiendo la

utilizacin de celulosa como materia prima. El cultivo de yuca (Manihot esculenta)

est ampliamente distribuido en toda la zona tropical y es la base alimenticia de cerca

del 10% de la poblacin mundial. El alto contenido de almidn en las races

almacenadoras de la yuca hace de este cultivo una opcin para la obtencin de

etanol. El uso de tcnicas de mejoramiento no convencional de variedades de yuca

permitir la generacin de plantas ms aptas para la industria de biocombustibles. En

este artculo de reflexin se revisa el estado actual de los biocombustibles a nivel

mundial y nacional, y se comentan los beneficios y retos a afrontar en cuanto a las

implicaciones respecto al medio ambiente y la alimentacin humana. Finalmente se

discute el potencial de la yuca como fuente eficiente de materia prima para la

obtencin de biocombustibles en PERU.


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INTRODUCCIN

El modelo energtico actual, basado en el consumo de combustibles fsiles, genera

diversos problemas a causa del carcter no renovable de stos, su grado de contaminacin

del medio ambiente, la liberacin de gases que contribuyen al calentamiento global, adems

de frecuentes conflictos en el mbito geopoltico entre pases productores y consumidores. La

produccin de biocombustibles representa una alternativa energtica viable frente a la

utilizacin de energa proveniente de combustible fsil. Los biocombustibles son los

combustibles obtenidos a partir de carbohidratos provenientes de material vegetal,

particularmente productos ricos en sacarosa, almidn o celulosa para la obtencin de

bioetanol, y productos ricos en aceites para el caso del biodiesel. Se han implementado

diferentes estrategias a nivel mundial para reemplazar o utilizar de manera conjunta los

combustibles fsiles y los biocombustibles. En Estados Unidos existe un amplio mercado para

el etanol producido a partir de almidn de maz, mientras que en Brasil el etanol obtenido a

partir de caa de azcar es ampliamente utilizado (Somerville, 2007). Planes de utilizacin de

biocombustibles a gran escala, con incrementos en su uso de entre el 8% en Europa, 10% en

China, 22% en Brasil y la meta de Estados Unidos de triplicar su produccin en diez aos,

estn siendo llevados a cabo (Balat y Balat, 2009). La produccin de biocombustibles puede

contribuir a generar desarrollo en pases pobres y servir como alternativa a cultivos ilcitos.

Per tiene caractersticas propicias para la produccin de biocombustibles: su ubicacin

tropical, cultura agrcola y disponibilidad de tierras aptas para determinados cultivos hacen

que esta prctica sea viable. Sumado a lo anterior, el gobierno ha promovido una serie de

estmulos legales que propician el desarrollo de la industria de biocombustibles, tales como

exenciones tributarias, creacin de zonas francas para su cultivo, y generacin de planes de

crdito e inversin. Por otra parte, tratados comerciales entre diversos pases promueven la

produccin y exportacin de biocombustibles. Dentro de los cultivos que pueden ser utilizados

como fuentes de biocombustibles, el de yuca presenta caractersticas que lo posicionan como


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una alternativa rentable en aquellas zonas cuyas condiciones ambientales o de calidad de

suelos no son aptas para el cultivo de caa de azcar. Entre estas ventajas se encuentra su

alta resistencia a la sequa y su adaptacin a diversos tipos de suelo, como aquellos con altos

contenidos de aluminio y manganeso, caractersticos de las sabanas tropicales, y que

resultan poco aptos para otro tipo de cultivos. Por otra parte, la obtencin a gran escala de

etanol a partir de yuca permitira la estabilizacin de los precios de etanol y azcar obtenidos

a partir de caa, los cuales son altamente interdependientes, y fluctan de acuerdo a la

demanda de etanol o azcar en un momento dado. As por ejemplo, en Tailandia se se evalu

en trminos energticos la produccin de bioetanol y se pudo obtener un valor de energa

neta (NEV) de 8.80MJ/L, lo cual es an mas eficiente que la produccin de energa obtenida

en China a partir tambin de yuca, la cual fue de 7,4 MJ/L (Dai et l., 2006) o que la de maz

en Estados Unidos (Lan et l., 2008). El mejoramiento gentico de plantas puede generar

variedades con caractersticas adecuadas para que el proceso de produccin de

biocombustibles sea ms eficiente. La ruta de biosntesis de almidn y las enzimas

involucradas en sta han sido caracterizadas en diferentes plantas, a partir de lo cual ha sido

posible generar variedades de yuca y maz con calidades y cantidades de almidn adecuadas

para la industria, as como la obtencin de un incremento en la cantidad de azucares libres

(Raemakers et l., 2005; Torney et l., 2007). Destinar productos agrcolas a la produccin de

biocombustibles puede llegar a ser econmicamente ms rentable que utilizar estos mismos

productos para la alimentacin humana, debido a la alta demanda actual de biocombustibles y

al plan de estmulos generados para esta industria, lo cual puede presentar ventajas a nivel

de poder adquisitivo de los cultivadores, pero a la vez tiene la desventaja de incrementar

problemas de disponibilidad de alimentos. A partir de lo anterior, son necesarias polticas de

control en la comercializacin de las cosechas, las cuales favorezcan la cobertura de la

demanda alimenticia sobre la demanda de biocombustibles. En esta revisin se pretende dar

una imagen del estado actual de la produccin de biocombustibles y su trasfondo biolgico, y

se discuten las implicaciones ecolgicas, junto con las posibilidades de obtencin de plantas


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genticamente modificadas para una produccin ms eficiente de materias primas destinadas

a la produccin de bioetanol.

LA YUCA COMO ALTERNATIVA PARA LA PRODUCCIN DE BIOETANOL

La yuca como alternativa para la produccin de bioetanol

A partir del almidn presente en la yuca se puede producir alcohol carburante. El almidn

lquido de la yuca puede ser fermentado mediante la utilizacin de levaduras como

Endomycopsis fibuligera en combinacin con cultivos bacterianos deZymomonas mobilisen

dos a cuatro das (Amutha y Gunasekaran, 2001). Se estima que a travs de este proceso se

puede llegar a obtener hasta 280 litros de etanol al 96%, a partir de una tonelada de yuca con

un 30% de almidn (FAO, 2006). Las ventajas comparativas del empleo del almidn de yuca

para la produccin de bioetanol son diversas. La yuca tiene una alta tasa de asimilacin de

carbono fotosinttico, particularmente inusual para plantas de metabolismo C3, alcanzando

valores de 43 umol CO2/m2

/s, igualmente posee una alta temperatura ptima para la

fotosntesis (45 oC). Se ha reportado que la yuca presenta una de las mayores tasas de

asimilacin de CO2a sacarosa dentro de los vegetales (Angelovet l., 1993; Edwardset l.,

1990). En trminos agronmicos, la yuca es altamente resistente a las sequas, en donde con

una precipitacin mnima de 500 mm/ao se logran obtener buenas producciones. El cultivo

de yuca genera una alta produccin en suelos degradados y se adapta a todos los tipos de

suelos a excepcin de los fangosos, al igual que tolera bien los altos niveles de aluminio y

manganeso, que son propios de los suelos de la mayora de las sabanas tropicales y que

resultan txicos para la mayora de las plantas. La yuca presenta adems una alta flexibilidad

en el momento de la plantacin y cosecha (Ceballos, 2002). En cuanto a rendimientos de

produccin, existen datos variables dependiendo de las variedades de yuca cultivadas y de

las condiciones agro-ecolgicas. En Nigeria se han reportado rendimientos de 10,67 ton/ha de

races frescas mientras que en Brasil y Tailandia se han reportado rendimientos de 13,45


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ton/ha y de 16,84 ton/ha respectivamente (Ospina et l., 2002). En Colombia se han reportado

producciones en cultivos comerciales de 15-20 ton/ha. Cabe anotar que los valores de

produccin a nivel experimental pueden llegar hasta 80 ton/ha, sin embargo esta alta

productividad an no ha podido ser trasladada a los campos de cultivo. En trminos de

rendimientos en litro de alcohol por hectrea de producto se observa que mientras en caa de

azcar se obtienen 75 litros de etanol a partir de una tonelada, en yuca se obtienen 200 litros.

En trminos generales, el rendimiento en litros por hectrea por ao empleando caa de

azcar es de 4900 L ha-1ao-1, mientras que en yuca es de 6000 L ha -1ao-1demostrando el

alto potencial de la yuca para producir alcohol carburante (Jansson et l.,2009). Otro aspecto

importante de la utilizacin de la yuca para producir bioetanol es el impacto social que puede

generar. Se ha estimado que mientras que en cultivos de maz se genera un empleo por cada

2,43 ha, en yuca se genera el mismo empleo por cada 1,66 ha (Ministerio de Minas, 2007) .

Esto permite una mejora en las condiciones del sector rural en Colombia, incentivando el

desarrollo agrcola e incluso impulsando las polticas de reemplazo de cultivos ilcitos.

El potencial del cultivo de yuca como fuente de biocombustibles se ve reflejado en los

planes que diferentes pases han planteado para su utilizacin. Este es el caso de China,

Tailandia y Nigeria, los cuales han llevado a cabo diversos estudios de viabilidad de

produccin de etanol a partir de yuca, encontrando que su implementacin tendra efectos

favorables tanto a nivel de produccin de energa, como de disminucin en la emisin de CO2

(Dai et l., 2006; Nguyen et l., 2007; Leng et l., 2008; Nguyen y Gheewala, 2008)

BIOTECNOLOGA DE YUCA PARA LA PRODUCCIN DE BIOETANOL

La produccin de bioetanol a partir de races de yuca es una alternativa real. Sin embargo,

como se ha mencionado anteriormente, frente a la creciente demanda mundial y local de

biocombustibles es necesario desarrollar estrategias que permitan suplir estas necesidades.

En este sentido, existe un fuerte desafo del sector agrcola e industrial para incrementar la


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produccin de biocombustibles. Para conseguir este objetivo se requiere de un gran

desarrollo cientfico y agrcola acompaado de cerca por el sector industrial para incrementar

la produccin de las materias primas que abastezcan las plantas industriales, ya que se ha

calculado que la produccin de las plantas existentes equivale al 57% de la demanda local

(Fedebiocombustibles, 2008).

A pesar de sus ventajas, la yuca no ocupa un puesto importante en la agricultura tropical.

Esto se debe a varios factores como la falta de tecnologas especficas para yuca, la falta de

cultivares desarrollados para la industria, la larga duracin de cada ciclo de seleccin y baja

tasa de reproduccin, las polticas gubernamentales que se han centrado en la produccin de

cereales y caa de azcar, el escaso desarrollo de mercados, el volumen de las races y su

rpido deterioro fisiolgico poscosecha. Sin embargo, muchos de estos problemas ya han

sido superados o estn en proceso de ser resueltos (Ceballos, 2002). La naturaleza

heterocigtica de la yuca prolonga el mejoramiento convencional, por lo cual la transformacin

gentica se est convirtiendo en una herramienta clave para acelerar la introduccin de

caractersticas agronmicas de inters, como la resistencia a enfermedades y el

mejoramiento de la calidad del almidn (Taylor et l., 2004). Recientes esfuerzos se han

encaminado a conocer ms acerca de la estructura gnica y organizacin del genoma de la

yuca, los cuales muy seguramente redundarn en mejores estrategias para el desarrollo de

este cultivo. Actualmente se cuenta con libreras BACs de algunos genotipos lo que permitir

la identificacin y clonacin de genes (Tomkins et l., 2004). De igual manera se cuenta con

una coleccin importante de ESTs (del ingls Expressed Sequence Tags), lo que ha permitido

la construccin del primer microarreglo de yuca que puede ser utilizado para el estudio de la

expresin de miles de genes de manera simultnea (Lopezet l., 2005).

A travs de herramientas biotecnolgicas ya disponibles para yuca (Tayloret l., 2004) se

podran desarrollar variedades con alto contenido de almidn, lo cual redundara en la


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disminucin del rea de siembra para satisfacer las demandas de materia prima. Al mismo

tiempo, la biotecnologa permitira obtener variedades que en lugar de almacenar almidn

acumulen cantidades significativas de azcares libres (i.e. sacarosa y glucosa), permitiendo

eliminar etapas del proceso de transformacin de almidn en bioetanol, lo que se traducira en

una disminucin en los costos de produccin (Schubert, 2006). Para este fin, es necesario

conocer en detalle la ruta de biosntesis de almidn, para identificar los genes clave sobre los

cuales realizar modificaciones en busca de obtener plantas con alto contenido de almidn o

azucares libres.

Estructura del almidn

El almidn es un producto de reserva alimenticia predominante en las plantas. El almidn

es sintetizado y almacenado en plastidios, ya sea de manera temporal en cloroplastos o a

largo plazo en amiloplastos densamente ubicados en rganos de almacenamiento como

races o semillas. Qumicamente el almidn es un polisacrido que resulta de la

polimerizacin de molculas de glucosa (Ball y Morell, 2003). El almidn se obtiene

exclusivamente de los vegetales que lo sintetizan a partir del dixido de carbono que toman

de la atmsfera y del agua que toman del suelo. Durante este proceso la energa solar se

transforma y se almacena en forma de glucosa (Martin y Smith, 1995). El almidn est

formado por dos tipos de polisacridos muy similares, la amilosa y la amilopectina. En casos

como el de los cereales, el almidn puede contener componentes menores tales como lpidos.

La composicin de amilosa y amilopectina es el factor principal que le confiere las

propiedades funcionales al almidn. Estos polmeros de glucosa se encuentran en

proporciones diferentes dependiendo de la fuente de obtencin del almidn y de diversas

variables ambientales (Kossmann y Lloyd, 2000). La amilosa es el producto de la

condensacin de D-glucopiranosas por medio de enlaces glucosdicos (1,4). El polmero

resultante est formado por cadenas lineales largas de 200-2500 unidades. La amilosa es un


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-D-(1,4)-glucano cuya unidad repetitiva es la -maltosa. La amilosa tiene la facilidad de

adquirir una conformacin tridimensional helicoidal, en la que cada vuelta de hlice consta de

seis molculas de glucosa. El interior de la hlice contiene slo tomos de hidrgeno, y es por

tanto lipoflico, mientras que los grupos hidroxilo estn situados en el exterior de la hlice. La

mayora de los almidones contienen alrededor de 25% de amilosa. La amilopectina se

diferencia de la amilosa en que contiene ramificaciones adicionales que le dan una estructura

molecular similar a la arquitectura de un rbol; las ramas estn unidas al tronco central

(semejante a la amilosa) por enlaces -D-(1,6), localizadas cada 15-25 unidades lineales de

glucosa (Fig. 2). La amilopectina constituye alrededor del 75% de los almidones ms

comunes. Algunos almidones estn constituidos exclusivamente por amilopectina y son

conocidos como creos (Smith et l., 1997). El almidn se presenta como un conjunto de

grnulos o partculas, estos grnulos son relativamente densos e insolubles en agua fra,

aunque pueden dar lugar a suspensiones cuando se dispersan en el agua (Smith et l., 1997).


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Figura 2. Estructura qumica de la amilosa y amilopectina.

La biosntesis de almidn en plantas

La fuente principal para la biosntesis de almidn es la sacarosa. La mayor parte de la

sacarosa citoslica es convertida a hexosas fosfatos, las cuales son transportadas al

amiloplasto por un translocador cuya naturaleza qumica an se discute y puede variar segn

la especie vegetal (Ball y Morell, 2003). La glucosa-6-fosfato as formada es convertida a

glucosa-1-fosfato por la enzima fosfoglucomutasa. El paso crucial en la biosntesis de almidn

en el amiloplasto es llevado a cabo por la ADP-glucosa pirofosforilasa (AGPasa), la cual

cataliza la sntesis de ADP glucosa a partir de glucosa-1-fosfato usando ATP y liberando

pirofosfato como subproducto. La ADP-glucosa es transferida a los extremos no reductores de


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molculas de almidn presentes en el plastidio mediante las enzimas almidn sintasas,

principalmente GBSS (del ingls Granule Bound Starch Synthase), extendiendo de manera

lineal el polmero. Por otra parte, las ramificaciones del almidn son producidas por la enzima

ramificante del almidn, SBE (del ingls Starch Branching Enzyme) y por las sintasas

solubles, SSS (del ingls Soluble Starch Synthase; Fig. 3; Ball y Morell, 2003).

Figura 3. Esquema de la ruta de biosntesis de almidn en una clula vegetal. Encerradas

en un crculo se muestran las principales enzimas de la biosntesis de almidn). SS: Starch

Synthase (GBSSI), SBE: Starch Branching Enzyme.

La relativa simplicidad de la ruta bioqumica determinada por los pocos pasos enzimticos

que ella involucra, contrasta con la complejidad de los genes que codifican para las enzimas

implicadas. La AGPasa es una enzima heterotetrmerica compuesta por dos unidades

pequeas y dos grandes. La subunidad pequea posee la actividad cataltica, mientras que la

grande est encargada de la regulacin de la actividad de la enzima. Dicha regulacin est


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determinada por el estado fisiolgico de la clula. En presencia de altas concentraciones de

3-fosfoglicerato -un producto directo de la fotosntesis-, la actividad de la AGPasa es inducida.

Cuando el fosfato inorgnico, -subproducto de la sntesis de almidn y molcula necesaria

para ser intercambiada por glucosa-6-fosfato del citosol- es el que predomina, la actividad de

esta enzima es reprimida (Kossmann y Lloyd, 2000). Se han encontrado isoformas de la

AGPasa diferencialmente distribuidas en el citosol o en plastidios, o a nivel de hojas, races o

tallos (Ball y Morell, 2003). Para las almidn sintasas existen por lo menos cuatro isoenzimas,

las cuales pueden ser subdivididas en dos grupos segn su localizacin. Las enzimas que

estn unidas fuertemente al grnulo de almidn son denominadas GBSS, mientras que las

SSS son solubles y se encuentran en el estroma de los amiloplastos o en los cloroplastos. La

actividad de cada una de estas isoenzimas es complementaria ms no sobrelapante.

Principalmente la GBSS es responsable de la sntesis de amilosa, mientras que la SSS

sintetiza amilopectina. En la reaccin de ramificacin estn involucradas dos tipos de enzimas

ramificantes, diferencindose en que las del tipo I tienen una actividad moderada de

ramificacin, mientras las del tipo II producen amilopectina altamente ramificada (Ball y Morell,

2003).

Biosntesis de almidn y modificacin de la ruta en yuca: sobrexpresin y

silenciamiento de genes usando transformacin gentica.

Varios de los genes que codifican para las enzimas implicadas en la biosntesis de almidn

han sido aislados y caracterizados en diferentes especies vegetales (Ball y Morell, 2003). En

yuca, los genes que codifican para la subunidad mayor y menor de la AGPasa han sido

clonados y denominados AGPasa S y AGpasa B respectivamente (Munyikwa et l., 1997).

Los dos genes mostraron ser expresados en todos los tejidos, pero el gen de la AGPasa B

exhibi una mayor expresin que el deAGPasa Sen hojas y races (Munyikwaet l., 1997). A

travs del rastreo o tamizaje de libreras de ADNc (ADN sintetizado a partir de ARN


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mensajero o ARNm) fue posible identificar los genes que codifican para las enzimas GBSSI y

GBSSII. GBSSI mostr tambin un mayor nivel de expresin en las races (Salehuzzaman et

l., 1992; Salehuzzaman et l., 1993), mientras que GBSSII fue altamente expresado en

hojas, sugiriendo que se trata de una isoforma especfica para este rgano, o que GBSSIIes

expresado en estados tempranos durante el desarrollo (Munyikwa et l., 1997). Ms

recientemente se report la clonacin de los genes que codifican para las enzimas de

ramificacin SBEI y SBEII (Baguma et l., 2003). Los estudios de actividad transcripcional

mostraron un fuerte incremento de la actividad de estos genes en las races a medida que

stas crecan, mientras que la expresin de los genes no cambi o incluso disminuy en otros

tejidos (Bagumaet l., 2003).

La identificacin de los genes de la ruta de sntesis de almidn en yuca permite modificar el

contenido y tipo de almidn en la raz. La expresin de los genes puede ser incrementada o

reprimida, segn los criterios del investigador y las propiedades del almidn deseado. La

sobre-expresin de los genes puede llevarse a cabo empleando promotores que permiten una

alta actividad transcripcional en el rgano de inters. Por el contrario, la represin de la

expresin de un gen puede llevarse a cabo a travs de las tcnicas de silenciamiento como el

empleo de ARN antisentido o de interferencia del ARN (RNAi; Wesley et l., 2001).

La modificacin de la ruta de biosntesis de almidn, ya sea por introduccin de nuevos

genes, sobrexpresin o silenciamiento de genes endgenos, ya se ha llevado a cabo en yuca

o en papa empleando los genes identificados de yuca. As por ejemplo, la inhibicin del gen

AGPasaen papa, llevada a cabo empleando el gen AGPasa Bantisentido de yuca, produjo

plantas transgnicas de papa con niveles de expresin del ARNm del gen endgeno de papa

mucho ms bajos; las plantas produjeron ms tubrculos y presentaron una reduccin

importante en el contenido de almidn, pero los niveles de azcares solubles (sacarosa,

glucosa y fructosa) fueron hasta cinco veces mayores que los de las plantas control


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(Munyikwa et l., 2001). Con el objetivo de obtener plantas de yuca con alto contenido de

almidn, se produjeron plantas transgnicas con una alta actividad de laAGPasa. Para ello se

introdujo el gen glgCque codifica para la AGPasa de E. coli (Ihemereet l., 2006). La ventaja

del uso de este gen es que la actividad AGPasa est determinada por un solo gen; en plantas

dicha actividad depende de dos subunidades proteicas, codificadas por genes diferentes.

Adems, la actividad de la enzima es mucho mayor que la de cualquier especie vegetal. El

gen bacteriano fue modificado para evitar la inhibicin alsterica por la fructosa-1,6 bifosfato.

Las plantas transgnicas de yuca as obtenidas presentaron un incremento de hasta el 70%

en la actividad AGPasa con relacin a las plantas no modificadas. Adems tuvieron mayor

peso fresco de races y mayor nmero de races tuberosas por planta. Los datos obtenidos

sugirieron que el incremento en el contenido de almidn de las plantas transgnicas no era

atribuible al mayor contenido de almidn por clula sino a un incremento en el nmero y

tamao de races (Ihemereet l., 2006).

La inhibicin del gen GBSSempleando el antisentido del gen de yuca permiti obtener un

almidn libre de amilosa en papa (Salehuzzamanet l., 1993) y en yuca, lo que increment la

claridad y estabilidad de los geles hechos a partir de este almidn sin necesidad de

tratamientos qumicos (Raemakerset l., 2005).

Estos estudios han demostrado que es posible mediante manipulacin gentica obtener

almidones de yuca modificados sin necesidad de tratamientos qumicos. Sin embargo, estos

estudios se han realizado fuera del pas, en algunos casos por industrias privadas, se han

hecho en papa o en variedades de yuca no adaptadas a las condiciones agroecolgicas del

pas o de baja produccin. Por esta razn, se hace necesario realizar trabajos de

mejoramiento gentico de yuca en el mbito nacional, que utilicen material vegetal adaptado a

las diferentes condiciones agronmicas de Colombia, y que permita el desarrollo de todos los

integrantes de la cadena productiva del cultivo de yuca con fines de obtencin de

biocombustibles, idealmente sin afectar la produccin para la demanda alimenticia.


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Qu pasa con el etanol?

El etanol puede utilizarse como combustible para automviles por s mismo o tambin puede

mezclarse con gasolina en cantidades variables para reducir el consumo dederivados del

petrleo. El combustible resultante se conoce como gasohol (en algunos pases, "alconafta").

Dos mezclas comunes son E10 y E85, que contienen el etanol al 10% y al 85%,

respectivamente.

Como se obtiene el etanol y cules son las principales materias primas necesarias para

su produccin

Desde la antigedad se obtiene el etanol por fermentacin anaerbica de azcares con

levadura en solucin acuosa y posterior destilacin. La aplicacin principal tradicional ha sido

la produccin de bebidas alcohlicas. Hoy en da se utilizan tres tipos de materias primas para

la produccin a gran escala de etanol de origen biolgico (bioetanol):

Sustancias con alto contenido de sacarosa

Caa de azcar

Remolacha

Melazas

Sorgo dulce

Sustancias con alto contenido de almidn

Maz

Patata

Mandioca

Sustancias con alto contenido de celulosa

Madera

Residuos agrcolas

El proceso a partir de almidn es ms complejo que a partir de sacarosa porque el almidn

debe ser hidrolizado previamente para convertirlos en azcares. Para ello se mezcla el

vegetal triturado con agua y con una enzima (o en su lugar con cido) y se calienta la papilla


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obtenida a 120 - 150C. Luego se cuela la masa, en un proceso llamado escarificacin, y se

enva a los reactores de fermentacin.

A partir de celulosa es aun ms complejo porque primero hay que pre-tratar la materia vegetal

para que la celulosa pueda ser luego atacada por las enzimas hidrolizantes. El pre-

tratamiento puede consistir en una combinacin de trituracin, pirlisis y ataque con cidos y

otras sustancias. Esto es uno de los factores que explican por qu los rendimientos en etanol

son altos para la caa de azcar, mediocres para el maz y bajos para la madera.

La fermentacin de los azcares es llevada a cabo por microorganismos (levaduras o

bacterias) y produce etanol as como grandes cantidades de CO2. Adems produce otros

compuestos oxigenados indeseables como el metanol, alcoholes superiores, cidos y

aldehdos. Tpicamente la fermentacin requiere unas 48 horas.

Luego hay que purificarlo, el mtodo ms antiguo para separar el etanol del agua es la

destilacin simple, pero la pureza est limitada a un 95-96% debido a la formacin de un

azetropo de agua-etanol de bajo punto de ebullicin. En el transcurso de la destilacin hay

que desechar la primera fraccin que contiene principalmente metanol, formado en

reacciones secundarias. An hoy, ste es el nico mtodo admitido para obtener etanol para

el consumo humano.

Para poder utilizar el etanol como combustible mezclndolo con gasolina, hay que eliminar el

agua hasta alcanzar una pureza del 99,5 al 99,9%. El valor exacto depende de la

temperatura, que determina cundo ocurre la separacin entre las fases agua e

hidrocarburos.


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MOTOR DE HIDROGENO

Vehculos de Hidrgeno


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El Hidrogenoes el elemento ms abundante en el universo. Pero la mayora de los tomos del

hidrogeno (H2) estn unidos con otros tomos de carbono y/o oxgeno, si queremos tener solo tomos

de hidrogeno tendremos que separarlos y para ello necesitaremos gran cantidad de energa.

En la Tierra el hidrogeno se encuentra mayormente como agua (lquida, vapor, hielo) o combinado con

otros elementos formando compuestos como el metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol

(CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).

La manera ms fcil y limpia de obtener hidrogeno es mediante la "electrlisis": se sumergen dos

electrodos en agua, se aplica electricidad y se obtiene gas hidrgeno del electrodo negativo y oxgeno

del positivo. Pero la electrlisis slo es econmica y limpia cuando la electricidad que se utiliza sea

obtenida por medios que no contaminen el medio ambiente, lo que quiere decir que no lo es tanto

actualmente, ya que la mayora de la energa elctrica que se produce esta basada en la combustin

de combustibles derivados del petrleo, carbn, etc. Se llamara Hidrogeno "sucio" al generado por

medio de combustibles derivados de combustibles fsiles.

Sin embargo, el hidrgeno puro no es la panacea, pues presenta varios problemas. Para empezar, su

produccin (la electrlisis) es cara y contaminante, pues requiere mucho consumo elctrico y la

electricidad actualmente se produce a partir de fuentes de energa convencionales, como el petrleo, el

gas o las centrales atmicas.

Algunos investigadores sugieren el empleo de la energa elctrica producida por energa elica, solar,

hidrulica, etc, que es limpia. Se podran colocar equipos de electrlisis al pie de estas centrales y

aprovechar la electricidad excendentaria que producen. Lo malo es que estas formas de generar

energa todava son minoritarias para abastecer un futuro parque automovilstico movido por hidrgeno.


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La otra forma de conseguir Hidrogeno en este caso el "sucio" seria a partir del proceso de

"reformado" (suministrando calor) a derivados del petrleo que tienen alto porcentaje de

hidrogeno como citamos anteriormente: metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol

(CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).. Tambin se puede utilizar el proceso de "reformado"

con combustibles derivados de la Biomasa (Biogas, Bioalcohol), en este caso teniendo en

cuenta el medio ambiente, el aprovechamiento energtico de la biomasa no contribuye al

aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO 2a la

atmsfera es neutro, ya que el CO2 generado en la combustin de la biomasa es reciclado

mediante la fotosntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su produccin y, por

lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2presente en la atmsfera. Podemos decir que el

"reformado" es mas barato que la electrlisis y en contra tiene, el ser mas contaminante.


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En la figura inferior se esquematiza la forma de obtener H2a partir de combustibles fsiles,

biomasa y agua, utilizando procesos de reformado (suministrando calor) o electrlisis

(suministrando energa elctrica). Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento

energtico de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado

que el balance de emisiones de CO2a la atmsfera es neutro. En efecto, el CO2generado en

la combustin de la biomasa es reciclado mediante la fotosntesis en el crecimiento de las

plantas necesarias para su produccin y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de

CO2presente en la atmsfera. En cambio, el carbono que se libera a la atmsfera al quemar

combustibles fsiles es el que est fijo a la Tierra desde hace millones de aos.

La obtencin de hidrgeno, la infraestructura correspondiente, la tcnica de respostaje y el

almacenamiento a bordo son costosos y en la actualidad estas cuestiones an no se han resuelto de

forma totalmente satisfactoria desde un punto de vista tcnico y economico. La generacin de

hidrgeno mediante electrlisis consume gran cantidad de energa elctrica como hemos indicado

anteriormente. Actualmente, el hidrgeno se obtiene a escala industrial casi exclusivamente mediante

un proceso de reformado con vapor (steam reforming) a partir de gas natural, si bien ello implica liberar

CO2 en dicho proceso.Celdas de combustible


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La celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrgeno y el aire de la atmsfera.

De su unin surge una corriente elctrica que sirve para mover un motor elctrico en el caso de los

vehculos. El residuo de la reaccin es slo agua.

La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y cientfico

gals que demostr que la combinacin de hidrgeno y oxgeno generaba electricidad adems de agua

y calor. El verdadero inters por la utilizacin de celdas de combustible como un generador prctico

vino hacia comienzos de los aos sesenta de nuestro siglo, cuando el programa espacial de los

Estados Unidos seleccion las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves

espaciales Gemini y Apollo. Hoy en da, la aplicacin espacial ya no es la nica de tipo prctico, puesto

que las celdas de combustible estn atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa

tecnolgica que les permite estar en posicin de competir cada da ms con las tecnologas

convencionales de generacin elctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas, sobre todo en el

tema medioambiental.

Una celda de combustible es un dispositivo electroqumico que convierte la energa qumica de una

reaccin directamente en energa elctrica. Por ejemplo, puede generar electricidad combinando

hidrgeno y oxgeno electroqumicamente sin ninguna combustin. Estas celdas no se agotan como lo

hara una batera, ni precisan recarga, ya que producirn energa en forma de electricidad y calor en

tanto se les provea de combustible (hidrogeno). En la prctica, la corrosin y la degradacin de

materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida til. La manera en que operan es

mediante una celda electroqumica consistente en dos electrodos, un nodo y un ctodo, separados

por un electrlito. El oxgeno proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrgeno gas pasa

sobre el otro.

Cuando el hidrgeno es ionizado en el nodo se oxida y pierde un electrn; al ocurrir esto, el hidrgeno

oxidado (ahora en forma de protn) y el electrn toman diferentes caminos migrando hacia el segundo

electrodo llamado ctodo. El hidrgeno lo har a travs del electrlito mientras que el electrn lo hace a

travs de un material conductor externo (carga). Al final de su camino ambos se vuelven a reunir en el

ctodo donde ocurre la reaccin de reduccin o ganancia de electrones del oxgeno gas para formar


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agua junto con el hidrgeno oxidado. As, este proceso produce agua 100% pura, corriente elctrica y

calor til, por ejemplo, energa trmica.

Tipos de celdas de combustible


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Las celdas de combustible se clasifican segn el tipo de medio conductor de la carga inica (electrolito)

dentro de la celda. Tambin se pueden clasificar segn la temperatura de trabajo a la que funcionen

La celda alcalina utilizada por la NASA en los aos 60 empleaba como electrolito una solucin acuosa

concentrada de hidrxido de potasio. En los aos 70, la empresa DuPont desarroll un polmero

conductor llamado Nafion. El esqueleto del Nafion es similar al del polmero neutro conocido como

tefln y, como este, posee una alta resistencia qumica y trmica. Las cargas mviles positivas (M+)

son protones que pueden moverse por el agua que absorbe el polmero y esto hace que la

conductividad de la membrana sea similar a la de un cido concentrado.

El Nafion se usa desde entonces como electrolito en electrolizadores y en celdas de combustible. Estas

ltimas se denominan celdas de combustible de "membrana de intercambio de protones" (PEM).

Existen otros tipos de celdas de combustible que no tienen electrolito acuoso. Ellas son las celdas de

cido fosfrico (PAFC) que utilizan el cido concentrado (exento de agua), las celdas de carbonato

fundido (MCFC), que utilizan como electrolito una mezcla eutctica de carbonatos de sodio, litio y

potasio y las celdas de xido slido (SOFC), en donde el electrolito es un cermico conductor de iones

xido. Este tipo de celdas de combustible sobre todo las que trabajan a alta temperatura se utilizan

mas para la generacin estacionaria de electricidad, o sea, estaciones de generacin elctricas para


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suministro de edificios de todo tipo y otros servicios. Para la utilizacin en vehculos y dems elementos

mviles se utilizan las celdas del tipo PEM (Membrana de Intercambio Protonico) mencionadas

anteriormente.

Los grandes desafos

Una de los desafos que enfrenta los desarrolladores de vehculos a hidrgeno es debido a su gran

densidad en estado lquido, lo que lleva a tener un volumen superior a la gasolina llegando a ser un

400% mayor.

Todo esto compromete la autonoma del vehculo, pero nuevos avances en los diseos de los

depsitos han ido aumentando la autonoma.

Otro aspecto a tener en cuenta en la infraestructura disponible para surtir los combustibles a los

automviles (estaciones de servicio), sin embargo este ser un aspecto que el mismo mercado ir

corrigiendo a medida de que el petrleo sea ms escaso y caro.Motores de Hidrogeno

Cuando hablamos de motores a hidrgeno tenemos que distinguir bsicamente a dos tipos de motores,

el basado en "celdas de combustible" de hidrgeno que en s se trata de un "motor elctrico" que recibe

electricidad de las propias celdas, y el "motor de combustin interna", similar a los motores

convencionales, que logran la fuerza motriz gracias a la ignicin del hidrgeno dentro de la cmara de

combustin.Motor de hidrogeno de combustin interna

Las celdas de combustible son todava caras y no son lo suficientemente fiables (tiempo de

funcionamiento limitado). As que hay fabricantes como BMW, Mazda, etc. que se han decidido por

quemar el hidrogeno dentro de los motores de combustin interna, estos motores son muy similares a

los convencionales. El H2 es altamente inflamable y se quema en concentraciones que van desde el

cuatro hasta el 74 por ciento, produciendo algunos xidos de nitrgeno (NOx), pero slo algunas trazas


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residuales de emisiones de dixido de carbono e hidrocarburos (debido a que quema la pelcula de

aceite de las paredes de los cilindros). El H 2 se quema limpiamente, pero no a estndares de cero

emisiones. BMW y Mazda creen que se podran vender motores duales de combustible y H 2mientras

se desarrolla la infraestructura de surtidores de hidrogeno en los pases. BMW comenz a

experimentar con motores de H2en 1978 y ha construido flotillas de demostracin. Mazda ha mostrado

numerosos conceptos de motor rotativo (RX8s) de hidrgeno desde 1991.Los BMW 750hL V12 que se construyeron en 2000 producan 201 CV con H2, llegando de 0 a 100

km/h en 9.6 segundos y tenan una autonoma de 289 km con poco menos de 19L de H2 lquido. El

nuevo Valvetronic V-8 genera 181 CV con autonoma y desempeo similares. (Las variantes de

gasolina de estos motores producen 326 y 325 CV, respectivamente.)

Mazda dice que su motor rotativo es inherentemente ms adecuado al funcionamiento con H2. Debido

a que la entrada, compresin y combustin suceden en reas distintas del rotor, la cmara de entrada

permanece ms fra, lo que evita las retroexplosiones. Tambin hay suficiente espacio para instalar dos

inyectores directos de H2. El motor Renesis Hydrogen REproduce 110 CV con H2 y 210 con

gasolina.


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BMW apoya la combustin de hidrgeno en motores convencionales; aunque es la ruta ms rpida a la

economa de hidrgeno, la eficiencia es menor, y la contaminacin, mayor al compararse con las

celdas de combustible y el motor elctrico.

El uso de hidrgeno extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se acumula

carbn en la cmara de combustin ni en las bujas, y los gases resultantes son tan limpios que casi no

se necesita cambiar el aceite del motor (slo hay que rellenarlo peridicamente). Estos motores

arrancan y funcionan bien a bajas temperaturas, son tolerantes al hidrgeno "sucio" y seran

comparativamente fciles de mantener. Ahse acaban las buenas noticias. Un estudio extenso de la

Universidad Kelo en Japn demuestra que la combustin interna de hidrgeno est entre las menos

eficientes de todas las plantas motrices de tecnologa avanzada, principalmente debido a la gran

cantidad de energa que se requiere para producir y comprimir, o licuar, el hidrgeno.La ms reciente propuesta de BMW, es el Hydrogen 7, el primer automvil de hidrgeno de lujo que

prcticamente no tiene emisiones contaminantes y es apropiado para el uso diario, pero sobretodo con

la ventaja de contar con un motor de combustin bimodo de doce cilindros, que funciona tanto con

hidrgeno como con gasolina convencional, convirtindose en un automvil que puede funcionar sin

estar pendiente del poder repostar hidrogeno en caso de falta de suministradores de este combustible.

Con motor, chasis y carrocera basados en los sedanes BMW 760i, el Hydrogen 7 incorpora un motor

de 260 caballos de potencia, con el que es capaz de acelerar en 9,5 segundos de 0 a 100 km/h, y

alcanzar una velocidad punta de 230 km/h, limitada electrnicamente. Indicadores que demuestran que

este combustible no merma el desempeo de vehculos de altas prestaciones.


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El motor de combustin bimodo del BMW Hydrogen 7 (figura inferior) es el resultado de un

trabajo de desarrollo orientado al futuro pero que ya se torna real. Este impulsor se basa en el

propulsor de doce cilindros a gasolina de 6.000 cc, VALVETRONIC, de la serie 7. El torque o

par mximo es de 390 Nm, disponible a 4.300 r.p.m. La peculiaridad del motor V12 del BMW

Hydrogen 7 consiste en que funciona de modo dual, lo que significa que sus doce cilindros

pueden funcionar indistintamente con hidrgeno o con gasolina, lo cual es posible gracias a

una nueva tecnologa de control que garantiza la misma potencia independientemente del tipo

de combustible disponible en el depsito. Uno de los depsitos ofrece capacidad para 8

kilogramos (unos 170 litros) de hidrgeno, y en un depsito convencional caben 74 litros de

gasolina.


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Funcionando con hidrgeno, el BMW Hydrogen 7 puede recorrer ms de 200 kilmetros y otros 500

kilmetros con el sistema de combustin convencional de gasolina, es decir que se pueden recorrer

muchos kilmetros hasta llegar a la siguiente gasolinera o a un surtidor de hidrgeno.

Este revolucionario automvil tiene casi nicamente emisiones de vapor de agua cuando funciona con

hidrgeno, y la empresa considera que en un futuro se podrn ofrecer vehculos con motores que

nicamente utilicen hidrgeno.


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En

principio, al repostar no se diferencia de la utilizacin del depsito convencional de gasolina, pues tan

solo hay que asegurarse de un acoplamiento hermtico, que evita prdidas de presin y de fro. Este

acoplamiento es similar al del surtidor de gasolina, lo que significa que el usuario lo introduce en la

boca del depsito aplicando una ligera presin. El bloqueo del acoplamiento y el rellenado del

hidrgeno se realizan de modo automtico. Para abrir y cerrar la tapa del depsito, el conductor no

tiene ms que pulsar una tecla que se encuentra en el tablero de instrumentos. El proceso de repostar

concluye en menos de 8 minutos.

El motor de combustin bimodo es ms alto debido a las vlvulas de inyeccin de H2. Utiliza vlvulas

de inyeccin (inyectores) especiales y un conducto de combustible de presin variable.


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En el habitculo los cambios se ven en el tablero de instrumentos donde se encuentran indicadores

nuevos relacionados con la utilizacin de hidrgeno, como el smbolo H2, que se enciende cuando el

motor est funcionando con hidrgeno, adems hay un indicador en kilogramos del nivel del depsito

de H2junto al indicador de gasolina. Adems, la autonoma total y la reserva disponible se indican por

separado para el hidrgeno y la gasolina.Las modificaciones que ms saltan a la vista en el habitculo se encuentran en la parte posterior,

debido al montaje del depsito de hidrgeno (figura inferior) debajo de la bandeja trasera y detrs del

banco posterior.

Diversas partes de la carrocera, especialmente desarrolladas para el del BMW Hydrogen 7, son de

material sinttico reforzado con fibra de carbono combinada con acero, de peso optimizado y, al mismo

tiempo, ms resistente a los impactos. Esta solucin compensa el mayor peso del motor y del sistema

de alimentacin de combustible y cumple con los criterios de seguridad especiales que plantea este


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innovador automvil. Entre otros, los bastidores laterales estn reforzados con este material sinttico

con fibra de carbono. De esta manera, ante un choque el comportamiento del BMW Hydrogen 7 es

exactamente igual al del BMW 760Li.

En cuanto a la seguridad, todos los componentes fueron concebidos de tal manera que cumplan con

los estndares ms estrictos. El depsito de hidrgeno lquido dispone del sistema de gestin del vapor

de hidrgeno boil-off y, adems, cuenta con dos vlvulas que permiten la salida controlada del

hidrgeno al entorno, por ejemplo en caso de haber una presin excesiva en el depsito (lo que puede

suceder en caso de un impacto fuerte). El depsito como tal, pero tambin todos los dems

componentes que se ocupan de la alimentacin del hidrgeno al motor, son de doble pared.

Las funciones de seguridad, especialmente previstas para el BMW Hydrogen 7, consiguen detectar con

antelacin cualquier irregularidad y activar las funciones de proteccin correspondientes. Por ello, el

usuario siempre se mantiene informado sobre cualquier fallo en el sistema, aunque ste an no

represente peligro alguno.

Actualmente no existen estndares, normas y leyes generales que determinen el uso de vehculos con

motor de hidrgeno. Tambin hay diferencias entre los reglamentos que se refieren al uso de garajes.

Estas reglas varan de pas en pas, pero tambin difieren los criterios aplicados por los propietarios de

los estacionamientos pblicos. Para evitar confusiones, el BMW Group no permite aparcar los

vehculos movidos con hidrgeno en garajes cerrados. S est permitido conducir y aparcar en

espacios semicerrados, por ejemplo en estacionamientos pblicos o atravesando tneles. Tambin se

admite el uso de tneles de lavado y parar en garajes individuales no cerrados.

Motor elctrico con celdas de combustible

El fabricante Toyota ha logrado la homologacin en Japn de un vehculo hbrido alimentado por celda

de combustible que logra una autonoma de 830 kilmetros, frente a los 330 de la generacin anterior.


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El nuevo vehculo, FCHV-adv (Fuel Cell Hybrid Vehicle-Advanced) ha sido homologado con la nueva

celda de combustible, de nuevo diseo y alto rendimiento, que an ser mejorada en una nueva fase

de desarrollo.

El Toyota FCHV-adv ha sido probado rodando tanto a altas temperaturas como a bajas, a partir de los

resultados proporcionados por estas pruebas, Toyota ha perfeccionado el sistema de celda de

combustible de este vehculo para mejorar la autonoma y el arranque a bajas temperaturas, que

haban frenado hasta ahora el uso generalizado de los vehculos de celda de combustible.

La unidad esencial de celda de combustible es el conjunto de electrodos y membrana (MEA, en sus

siglas en ingls), donde el principal problema para los ingenieros fue el agua que apareca en el interior

y que interfera con la generacin elctrica dentro del MEA a bajas temperaturas.

Se llev a cabo una importante labor de investigacin, que incluy pruebas de visualizacin interna,

para comprender el comportamiento y la cantidad del agua generada en la celda de combustible, lo que

permiti a los ingenieros optimizar el diseo del MEA para mejorar el arranque a bajas temperaturas.


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Como consecuencia, el Toyota FCHV-adv puede arrancar y funcionar en zonas fras a temperaturas de

hasta 30 grados bajo cero, lo que significa que el vehculo se puede utilizar en una mayor variedad de

condiciones y climas.

Ello llev a una mejora de la eficiencia del combustible en un 25%, gracias al nuevo rendimiento de la

celda de combustible, el perfeccionamiento del sistema de frenado regenerativo y la reduccin de la

energa consumida por el sistema auxiliar.

Otras modificaciones introducidas en la versin avanzada del vehculo son la incorporacin de un

control de degradacin del catalizador del electrodo y la mayor duracin de la celda de combustible.Los depsitos desarrollados por Toyota estn fabricados en composite, un material muy ligero y

extremadamente resistente. Adems, van forrados por dentro con un lienzo de nylon que evita

cualquier filtracin del muy voltil hidrgeno. Este forro permite que el depsito sea menos grueso, con

lo que, en el de 35 megapascales, cabe hasta un 10 por ciento ms de hidrgeno comprimido. As, la

autonoma de los coches que empleen este tanque ser ms alta.

Con estas soluciones tcnicas, Toyota logra solucionar dos de los principales problemas que presentan

los depsitos para hidrgeno: la porosidad y el excesivo peso que se produce cuando se combate esa

porosidad. Estos problemas, especialmente el del peso, haca que, hasta ahora, los depsitos fuesen

demasiado aparatosos y acabaran por lastrar las cualidades dinmicas de los vehculos que los

llevaban.Toyota actualmente con los ltimos modelos ha conseguido depsitos de hidrgeno de alta presin a

70 Mpa, con los que el vehculo puede recorrer unos 830 kilmetros sin repostar; es decir, ms del

doble que el antecesor del Toyota FCHV-adv, el Toyota FCHV.


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En la figura inferior podemos ver la seccin de un Toyota FCHV-5: En la parte trasera se pueden ver los depsitos de hidrogeno a alta presin y la batera

secundaria.

En la parte delantera se puede ver la celda de combustible, la unidad de control, y el motorelctrico.


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Como conclusin se puede decir que Toyota apuesta por la celda de combustible, s, pero alimentada

directamente por el hidrgeno contenido en depsitos embarcados en el coche. Es decir, descarta

otras alternativas, como el "reformado" de combustible, que es la va que emplean otras compaas.

Con el reformado de combustible, lo que se hace es extraer el hidrgeno de la gasolina u otro

hidrocarburo y enviar el hidrgeno arrancado a la clula de combustible. Este proceso, ms barato,

tambin es ms contaminante que el empleo de hidrgeno puro.

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Combustible Derivado de La Yuca