Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que contienen diferentes combinaciones de carbono e hidrógeno, presentándose en la naturaleza como gases, líquidos




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fecha de publicación20.12.2015
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Hidrocarburos

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que contienen diferentes combinaciones de carbono e hidrógeno, presentándose en la naturaleza como gases, líquidos, grasas y, a veces, sólidos. Los hidrocarburos son una fuente importante de generación de energía para las industrias, nuestros hogares y para el desarrollo de nuestra vida diaria. Pero no es sólo un combustible, sino que a través de procesos más avanzados se separan sus elementos y se logra su aprovechamiento a través de la industria petroquímica.

Clases de hidrocarburos:

Los hidrocarburos alifáticos incluyen tres clases de compuestos: alcanos, alquenos y alquinos. Los alcanos son hidrocarburos que sólo contienen enlaces simples carbono-carbono, los alquenos contienen enlaces dobles carbono-carbono, y los alquinos son hidrocarburos que contienen un triple enlace.

- Alcanos: son compuestos formados por carbono e hidrógeno que sólo contienen enlaces simples carbono – carbono. Cumplen la fórmula general CnH2n+2, donde n es el número de carbonos de la molécula. Los alcanos de menor tamaño, metano, etano, propano y butano son gases a temperatura ambiente. Alcanos de mayor número de carbonos son sólidos a temperatura ambiente. Los puntos de fusión y ebullición de los alcanos aumentan con el número de carbonos de la molécula.

- Alquenos: son hidrocarburos que contienen enlaces dobles carbono-carbono. Se emplea frecuentemente la palabra “olefina” como sinónimo. Los alquenos abundan en la naturaleza. El eteno, es un compuesto que controla el crecimiento de las plantas, la germinación de las semillas y la maduración de los frutos. Cada anillo o ciclo de una molécula implica la pérdida de dos hidrógenos respecto a un alcano de fórmula CnH2n+2. Se denomina grado de insaturación al número de ciclos y dobles enlaces presentes en una molécula. Debido a que los alcanos contienen el máximo número posible de enlaces carbono-hidrógeno, se dice de ellos que son hidrocarburos saturados. Alquenos y compuestos cíclicos son hidrocarburos insaturados. Muchos derivados del petróleo son alquenos. Alrededor del 0,1 al 0,2% de la producción mundial del petróleo acaba contaminando al mar, ríos y lagos. Estos tristes sucesos afectan principalmente a la fauna y flora marina, al ser este alqueno un tóxico.

-Alquinos: Los alquinos son hidrocarburos que contienen enlaces triples carbono-carbono. La fórmula molecular general para alquinos acíclicos es CnH2n-2 y su grado de insaturación es dos. El acetileno puede obtenerse a partir de óxido de calcio y coke. En una primera etapa son calentados en horno eléctrico para formar carburo de calcio. El acetileno fue usado en la industria para preparar acetaldehído, ácido acético, cloruro de vinilo y polímeros acrílicos. Los alquinos tienen unas propiedades físicas similares a los alcanos y alquenos. Son poco solubles en agua, tienen una baja densidad y presentan bajos puntos de ebullición.

El segundo grupo lo forman los hidrocarburos aromáticos, llamados así debido al fuerte aroma que caracteriza a la mayoría de ellos. Tienen seis grupos de carbono-hidrógeno unidos a cada uno de los vértices de un hexágono (como en el benceno) y sus moléculas están formadas por una o más estructuras de estos anillos estables. Son hidrocarburos cíclicos, se consideran compuestos derivados del benceno. Entre los aromáticos más importantes se encuentran todas las hormonas y vitaminas, excepto la vitamina C; prácticamente todos los condimentos, perfumes y tintes orgánicos, tanto sintéticos como naturales; los alcaloides que no son alicíclicos (ciertas bases alifáticas como la putrescina a veces se clasifican incorrectamente como alcaloides), y sustancias como el trinitrotolueno (TNT) y los gases lacrimógenos. Por otra parte los hidrocarburos aromáticos suelen ser nocivos para la salud, como los llamados BTEX, benceno, tolueno, etilbenceno y xileno por estar implicados en numerosos tipos de cáncer o el alfa-benzopireno que se encuentra en el humo del tabaco, extremadamente carcinógeno igualmente, ya que puede producir cáncer de pulmón.

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Utilización:

Mediante la aplicación de distintos procesos de transformación (refinación) de los hidrocarburos, se pone a disposición del consumidor una amplia gama de productos, que podemos agrupar en:

Energéticos: son combustibles específicos para transporte, la industria, la agricultura y la generación de corriente eléctrica y uso doméstico.

Productos especiales: como lubricantes, asfaltos, grasas para vehículos y productos de uso industrial.

Sin duda, la mayor demanda de hidrocarburos se da para la fabricación de los combustibles que usamos a diario en nuestros hogares, en nuestros automóviles y en las industrias. Los combustibles que más se comercializan en nuestro país son las gasolinas, el kerosene y el diesel. El gas natural recién está penetrando el mercado de venta de combustibles.

Asimismo, la Industria Petroquímica hace uso de los elementos que se encuentran presentes en los hidrocarburos produciendo compuestos más elaborados que sirvan de materia prima para las demás industrias. Estos productos petroquímicos dan vida a muchos productos de uso difundido en el mundo actual: plásticos, acrílicos, nylon, fibras sintéticas, guantes, pinturas, envases diversos, detergentes, cosméticos, insecticidas, adhesivos, colorantes, refrigerantes fertilizantes, llantas, etc.

Contaminación:

Los hidrocarburos como tal no producen ningún impacto ambiental. Es cuando esos hidrocarburos son utilizados como combustibles que se tornan dañinos para nuestro entorno.

La contaminación por hidrocarburos se produce de forma frecuente y los principales orígenes de aparición de hidrocarburos en el suelo-subsuelo son por orden de importancia:

- Fuga de depósitos vertidos accidentales.

-Enterramiento de residuos que contienen hidrocarburos.

-Lavado de aglutinantes de caminos asfaltados Riegos de caminos de tierra con aceites residuales para evitar el polvo.

Las principales actividades que provocan contaminación por hidrocarburos son:

-Fuentes de Saneamiento in situ (nitratos, microorganismos fecales, trazas de hidrocarburos sintéticos).

-Gasolineras y talleres automotrices (benceno, otros hidrocarburos aromáticos, fenoles e hidrocarburos halogenados)

-Depósito final de residuos sólidos (amonio, salinidad, hidrocarburos halogenados y metales pesados).

-Industrias metalúrgicas (tricloroetileno, tetracloroetileno, otros hidrocarburos halogenados, metales pesados, fenoles y cianuro).

-Talleres de pinturas y esmaltes (tetracloroetileno, alcalobenceno y otros hidrocarburos halogenados).

-Industria de la madera ( pentaclorofenol y algunos hidrocarburos aromáticos)

-Tintorerías tricloroetileno y tetracloroetileno) Manufactura de pesticidas (fenoles,hidrocarburos halogenado, arsenico y metales pesados).

-Depósito final de lodos residuales (nitratos, hidrocarburos halogenados, plomo y cinc).

-Curtidurías (cromo, salinidad, hidrocarburos halogenados y fenoles) Explotación y extracción de salinidad (hidrocarburos aromáticos).

Biorremediación:

Se refiere al espectro de métodos que utilizan organismos (como bacterias, plantas, hongos, etc.) o productos metabólicos obtenidos a partir de ellos para degradar contaminantes orgánicos peligrosos o convertir contaminantes inorgánicos en compuestos ambientalmente menos tóxicos o no tóxicos.

Degradación aeróbica de hidrocarburos:

Degradación de alcanos: en la inmensa mayoría de los casos, los microorganismos metabolizan los alcanos transformándolos en ácidos grasos mediante la oxidación progresiva de uno de los grupos metilo (CH3) terminal. La enzima alcano 1-monooxigenasa cataliza una la reacción que, a partir de un alcano, una proteína llamada rubredoxina y oxigeno molecular (O2), mete un átomo de oxígeno en el átomo de carbono del metilo. Se obtiene como resultado un alcohol primario, la rubredoxina oxidada y el otro átomo de oxigeno que se redujo a agua. La reacción se escribe como:

un alcano + rubredoxina(reducida) + O2 ↔ un alcohol primario + rubredoxina(oxidada) + H2O

Luego participan una serie de enzimas que continúan oxidando el alcohol, que finalmente quedara convertido en un acido graso y será producirá una β-oxidación (proceso catabólico de los ácidos grasos en el cual sufren remoción, mediante la oxidación de un par de átomos de carbono sucesivamente en cada ciclo del proceso, hasta que el ácido graso se descompone por completo en forma de moléculas acetil-CoA, que serán posteriormente oxidados en la mitocondria para generar energía química en forma de ATP).

Degradación de compuestos aromáticos: los anillos aromáticos son químicamente muy estables. Sin embargo, algunos microorganismos han desarrollado estrategias para desestabilizar dicha estructura electrónica y romper el anillo. En condiciones aeróbicas, básicamente el proceso consiste en la introducción de uno o dos grupos – OH mediante monooxigenasas o dioxigenasas. La estructura resultante es menos estable (ahora presenta dos dobles enlaces permanentes en vez de los tres oscilantes previos) y es atacada por una segunda dioxigenasa que abre el anillo y genera un compuesto que puede ser metabolizado mediante el ciclo de Krebs.

Degradación anaeróbica de hidrocarburos

Se conocen bastantes microorganismos capaces de degradar anaeróbicamente hidrocarburos, si bien las rutas no están totalmente caracterizadas. Estas rutas tienen mucha importancia en el ciclo del carbono, ya que todos liberan metano y dióxido de carbono a la atmosfera luego de degradar el hidrocarburo. La degradación anaeróbica es un proceso más lento que la aeróbica. Además de otras estrategias para las oxidaciones iniciales, requieren aceptores finales de electrones distintos del oxígeno: menos energía, es decir, velocidad de crecimiento (y de asimilación) más lenta.

Degradación de alcanos: existen varios relatos sobre la oxidación de hidrocarburos con culturas puras de bacterias reductoras de sulfato (BRS) en condiciones estrictamente anaerobias, denitrificantes y metanogénicas. A las BRS y denitrificantes utilizan sulfatos y nitratos, respectivamente, como aceptores de electrones para biodegradar hidrocarburos, análogo al oxígeno molecular en la biodegradación aerobia. Ya las bacterias metanogénicas que metabolizan hidrocarburos ó en la ausencia de aceptores de electrones, convirtiéndolos a metano y CO2, ó en la presencia de CO2, convirtiendo los hidrocarburos para metano (CH4). Existen también las bacterias anaerobias acetogénicas que consumen los hidrocarburos generando acetato y H2.

Involucra la activación del carbono subterminal del alcano y es adicionado al doble enlace del fumarato, generando ácidos grasos lineares y ramificados y succinatos substituidos.

Degradación de compuestos aromáticos: involucra la carboxilación del hidrocarburo en la posición C-3. Las rutas mejor caracterizadas, como la del tolueno de diversas bacterias sulfatorreductoras y desnitrificantes, también implican la adición de un fumarato al tolueno, seguido de la activación de la coenzima CoA. Tras una serie de pasos adicionales se forma una molécula de benzoil-CoA que ya es susceptible de perder la aromaticidad mediante procesos de reducción que eliminan dos de los tres dobles enlaces de la molécula. Esto puede producirse por dos vías: a) la vía pirímica, donde se obtienen ácidos grasos volátiles o acetil-CoA para la producción de ATP; b) vía adípica, se obtienen acidos grasos.

Efecto de los factores ambientales sobre la biodegradación de hidrocarburos:

Muchos de los ambientes marinos susceptibles de ser contaminados como consecuencia de los vertidos de petróleo pueden considerarse ambientes extremos, ya que se caracterizan por estar sometidos a condiciones ambientales extremas, tales como bajas o altas temperaturas, pH ácido o alcalino, concentraciones salinas elevadas y/o elevadas presiones. Por lo tanto, en estos casos, los microorganismos adaptados a crecer bajo estas condiciones juegan un papel importante en la biorrecuperación de los ambientes contaminados.

-Temperatura: la temperatura es un parámetro fundamental a considerar en la biorremediación in situ, ya que tanto la biodisponibilidad como la solubilidad de los compuestos más hidrofóbicos dependen de este parámetro. Un incremento de temperatura provoca un descenso de la viscosidad y, por tanto, afecta al grado de dispersión y al aumento de las tasas de difusión de los compuestos orgánicos. Además, las bajas temperaturas impiden la volatilización de alcanos de cadena corta (< C10), por lo que aumenta su solubilidad en la fase acuosa y su toxicidad, lo cual puede ralentizar el proceso de degradación.

-PH: la degradación de hidrocarburos se ve favorecida a pHs próximos a la neutralidad.

-Salinidad: hay una relación inversa entre salinidad y biodegradación de hidrocarburos de petróleo. Se ha visto, que a concentraciones salinas superiores al 2,4% (p/v) de NaCl, el efecto inhibidor es mayor para la degradación de fracciones aromáticas que para la fracción saturada.

-Presión: contaminantes con densidades mayores a la del agua de mar pueden hundirse hasta llegar al fondo marino, donde la presión hidrostática es elevada. La combinación de presión elevada y baja temperatura en el océano profundo provoca una baja actividad microbiana.

-Oxígeno: la eficiencia de los procesos de biodegradación aeróbicos dependerá de la temperatura, ya que la solubilidad del oxígeno depende de ésta. Los pasos iniciales del catabolismo de hidrocarburos alifáticos, cíclicos y aromáticos por parte de bacterias u hongos implican la oxidación del sustrato mediante oxigenasas, que requieren oxígeno molecular. Normalmente, no existen condiciones limitantes en la superficie de la columna de agua o en las capas superficiales de los ecosistemas bentónicos marinos. Sin embargo, con la profundidad, el sistema se vuelve anóxico. Tradicionalmente, se ha considerado que la biodegradación anaeróbica de hidrocarburos tiene lugar a tasas despreciables, y que, por lo tanto, la importancia ecológica es limitada.

-Nutrientes: cuando hay un vertido de petróleo en ambientes que presentan una baja concentración de nutrientes inorgánicos se suelen producir elevados relaciones C/N y/o C/P, los cuales son desfavorables para el crecimiento microbiano. Es bien conocido que la disponibilidad de N y P limita la degradación microbiana de hidrocarburos.

Ejemplos de microoganismos:



Acinetobacter sp.: es un bacilo Gram negativo, es productor de ácido a partir de la glucosa, se desarrolla a 41 y 44ºC. Dentro de las especies de importancia ambiental se destacan, A. baumanii, Acinetobacter calcoaceticus carente de ácido metílico. Las cepas de Acinetobacter baumanii son eficientes en la degradación de fracciones de alcanos.

Alcanivorax borkumensis: bacteria Gram-negativa, es la más abundante de todas. Alcanivorax borkumensis es una bacteria en forma de bacilo que tiene características especiales para degradar el crecimiento del petróleo. Estas bacterias se encuentran abundantes en aguas contaminadas, pero escasamente pobladas en las aguas claras. La fisiología del metabolismo puede destruir una amplia gama de hidrocarburos alcanos. Esta bacteria tiene tres diferentes alcano-oxidantes para la distribución de una amplia gama de hidrocarburos del petróleo. Ellos usan hidrocarburos del petróleo como fuente de carbono y energía. Los actos de las bacterias sobre los hidrocarburos para producir los lípidos de la glucosa. Estos biosurfactantes actúan como un emulsionante para mejorar la velocidad de degradación de hidrocarburos.

Burkholderia: debido a su genoma extremadamente flexible, Burkholderia cepacia, bacilo Gram negativo no fermentador, productora de pigmento amarillo tiene una gran capacidad mutagénica y adaptativa, ha sido recuperada a partir de agua y superficies húmedas, es resistente a múltiples antibióticos y ésta capacidad es altamente transmisible entre especies. Por todas estas razones, la selección de cepas es insegura para su uso ambiental y su uso en la agricultura también debe ser cauteloso. Aunque es una excelente degradadora de los hidrocarburos aromáticos.

Marinobacter hydrocarbonoclasticus: es una cepa representante de las bacterias marinas Gram negativas, son degradadoras de hidrocarburos aromáticos. Estos organismos están adaptados para que crecer en largas alcanos no cíclicos y en hidrocarburos aromáticos. También pueden crecer en un medio estándar, sin hidrocarburos. Además, las células pueden desnitrificar (producción de gas de nitrógeno). Se puede utilizar nitrato (NO3-) o nitrito (NO2) como su aceptor terminal de electrones. Estas células pueden crecer en medios aeróbicos de cultivo líquido y forman colonias en agar, mostrando que no son anaerobios obligados.

Oleiphilus messinensis sp.: gram-negativas, bacilos gruesos y móviles. Son aerobias y creciendo en medio suplementado con n-hexadecano. Solamente los hidrocarburos alifáticos y sus derivados son utilizados por esta bacteria como fuentes de carbono para el crecimiento. Crece a temperaturas de 10 a 37 °C, con un crecimiento óptimo entre 25 y 30 °C. Alifáticos hidrocarburos y sus derivados, con longitudes de cadena entre C11 y C20, son los únicos sustratos que pueden aprovechar para el crecimiento.

Pseudomonas aeuroginosa: degradan aromáticos y alifáticos. Bacteria gram negativa. Patógeno oportunista en plantas y humanos. Posee pigmentos como piocianina (azul verdoso), fluorescenina (amarillo verdoso fluorescente) y piorubina (rojo parddo). Degradadora de gran cantidad de sustratos, como el n-hexadecano; mineralización de compuestos alifáticos en condiciones anaerobias; degradadora de hidrocarburos aromáticos y poli-aromaticos.

Puede causar diversos tipos de infecciones pero rara vez causa enfermedades en personas sanas sin ningún factor predisponente.

Es un microoganismo común en el medio ambiente y puede encontrarse en las heces, el suelo, el agua y las aguas contaminadas. Puede proliferar en ambientes acuáticos, así como en la superficie de materias orgánicas propicias en contacto con el agua.

Estas cepas microbianas tienen un determinado rango de aceptación de pH altamente alcalinos o ácidos. El rango óptimo para la degradación esta entre 6-8 pH. Sin embargo, para mantener una mayor capacidad degradante por periodos de tiempo prolongado el pH debe ser más bien neutro, evitando las fluctuaciones.

Rhodococcus: bacterias de forma bacilar, Gram-positivas (pueden presentar Gram variabilidad), parcialmente alcohol-ácido-resistentes y aeróbicas. Son no moviles, crecen bien a temperaturas de 30 a 37°C. Se encuentran de manera general muy ampliamente distribuidos en el medio ambiente, de manera particular en suelos, reservorios de agua, ríos, lagos y otros ambientes acuáticos. Como agentes patógenos del hombre y los animales, el más importante de ellos es R. equi. Degrada hidrocarburos aromáticos policicliclos (HAPs).Es autóctona de la Patagonia. Acumula aceites a partir de residuos orgánicos y es capaz de degradar hidrocarburos. La bacteria tiene gran poder de adaptación a la aridez del suelo, al tiempo que es notable su desempeño en la biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos, es decir que su empleo permite restaurar el medio. La diversidad metabólica que presentan los microorganismos del género Rhodococcus los hace ser candidatos ideales para su utilización en bioprocesos, con un gran potencial tanto en aplicaciones industriales como ambientales. Han recopilado información acerca de 400 enzimas catabólicas microbianas y las posibles rutas a seguir dentro de la biotransformación o biodegradación de compuestos orgánicos.

Sphingomonas: es un grupo de bacterias Gram negativas con forma de bacilo, quimioheterótrofas y estrictamente aerobias. Se distribuyen extensamente en la naturaleza habiéndose aislado de diferentes hábitats terrestres y acuáticos, de los sistemas radiculares de las plantas, especímenes clínicos y de muchas otras fuentes. Posee capacidades para la biodegradación de aromáticos y policíclicos.

Vibrio: son bacilos Gram negativos, de entre 2 y 3 µm de largo, de forma algo curva, dotados de un único flagelo polar que les permite una elevada movilidad. Soportan bien los medios alcalinos, así como las concentraciones salinas. No forman esporas, son oxidasa positiva, y anaerobios facultativos. Es posible encontrarlas unidas en sus orillas, por lo que forman agregados espirales o en forma de S. Degradadoras de hidrocarburos aromáticos.

Bibliografía:

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