Hidrocarburos (Micaela y Daniela)

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 carbonohidrógeno 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.
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 1monooxigenasa 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 acetilCoA, 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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