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Biorrefinerias: Algas microscopicas productoras de Biodesel

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Daniela Uribe

on 4 November 2013

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Transcript of Biorrefinerias: Algas microscopicas productoras de Biodesel

Biorrefinerías: Algas microscópicas productoras de Biodiesel y su relación con el Ciclo del Carbono
Toda la materia orgánica que, proveniente de árboles, plantas y desechos de animales, pueda ser convertida en energía; igualmente la procedente de la agricultura (residuos de maíz, café, arroz, nueces, etc.), de aserraderos (podas, ramas, aserrín, cortezas, etc.) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica y otros).
La biomasa es la fuente de energía más antigua conocida por el hombre, ha sido usada desde que nuestros ancestros descubrieron el secreto del fuego.

Biomasa
Puede ser transformada en tres productos energéticos principales: dos relacionados con la energía que son la electricidad/calor y los combustibles para transporte y otro producto que es materia química.

Las rutas para transformar la biomasa pueden clasificarse en bioquímicas/biológicas y termoquímicas.
Han sido estudiados principalmente para el carbón y los materiales lignocelulósicos como la madera.
Comprenden principalmente la fermentación alcohólica como proceso aerobio para producir combustibles líquidos y la digestión anaeróbica, donde se produce el biogás.
Biorrefinerías
Son instalaciones en donde se busca la producción de combustibles, energía y químicos derivados del empleo de la biomasa como materia prima.
El Departamento de Energía (DOE) emplea la siguiente definición: “una biorrefinería es un concepto de planta de procesamiento donde la biomasa es convertida en una variedad de productos valiosos”.

Diseño Conceptual de Biorrefinerías
La metodología utilizada para la evaluación del diseño conceptual de biorrefinerías se basa en el estudio de las diferentes perspectivas que tienen las materias primas desde el punto del uso de cultivos como una primera generación, de los residuos resultantes de las actividades agroindustriales de cosecha y tratamiento de la primera generación, convirtiéndose en una segunda generación de las mismas, y en el uso de materias primas de tercera generación como son las algas.
Biorrefinerías Verdes
Se basa en sistemas tecnológicos totalmente integrados y sustentables, ambientalmente amigables para la utilización y explotación de los materiales biológicos ya sean de origen residual o proveniente de tierras dedicadas a la producción sustentable de estos.

Consiste en presionar y separar la biomasa en dos componentes: un filtro de torta y un zumo.

El filtro de torta es una fuente de fibras, alimento para animales y/o materia prima para digestión anaerobia.

El zumo es un concentrado de proteínas y amino ácidos que pueden ser empleados para la producción de ácido láctico o bioetanol mediante fermentación.
Biorrefinerías de Cultivo Completo
Se basa en sistemas tecnológicos totalmente integrados y sustentables, ambientalmente amigables para la utilización y explotación de los materiales biológicos ya sean de origen residual o proveniente de tierras dedicadas a la producción sustentable de estos.

Consiste en presionar y separar la biomasa en dos componentes: un filtro de torta y un zumo.

El filtro de torta es una fuente de fibras, alimento para animales y/o materia prima para digestión anaerobia.

El zumo es un concentrado de proteínas y amino ácidos que pueden ser empleados para la producción de ácido láctico o bioetanol mediante fermentación.

Biorrefinerías Lignocelulósicas (Biorrefineria - LCF)
Emplea madera, residuos agrícolas, cultivos energéticos y residuos municipales.

Es una progresión para las instalaciones de bioetanol de segunda generación hacia un sistema de producción más avanzado con una mayor variedad de subproductos.

En una planta LCF los sacáridos pentosa y hexosa son separados para producir bioetanol y productos químicos de mayor valor.
Biorrefinerías de Dos Plataformas
Integra dos plataformas de transformación de la biomasa; la plataforma de azúcar y la plataforma termoquímica.

La plataforma de azúcar se dedica a la producción de azúcares fermentables a partir de materiales lignocelulósicos.

La plataforma termoquímica se emplea para la producción de gas de síntesis y los productos posteriores mediante la gasificación a alta temperatura de la biomasa. Emplea otros procesos como la producción de bio-aceites mediante la pirólisis.
Biorrefinerías Termoquímicas
Son instalaciones basadas en la descomposición por procesos termoquímicos de la biomasa.

Constan de las siguientes etapas: pre- tratamiento (secado, triturado), alimentación, conversión (gasificación, pirólisis), limpieza y acondicionamiento y producto final.

La gasificación es una etapa clave, el gas obtenido de este proceso se compone de una mezcla de compuestos distintos (CO, CO2, CH4 y H2) y puede ser empleado en diversos procesos posteriores como la producción de electricidad, calor y biocombustibles de segunda generación (metanol, combustibles Fischer-Tropsch, hidrógeno).
Biorrefinerías Marinas
La biomasa marina ofrece un gran potencial para su utilización energética. Dependiendo del tipo de alga que se va a procesar, se pueden producir diferentes productos. Por ejemplo, las diatomeas acumulan aceites; las algas verdes, almidón y aceites, y las algas doradas, aceites y carbohidratos.

En la producción de energía utilizando micro-algas se tienen que combinar con otros sistemas, como por ejemplo, con el tratamiento de aguas residuales y/o la producción de productos de valor añadido (alimentos, materiales, productos químicos) para que todo el concepto de cultivo/procesado logre ser económicamente factible.
Procesos Termoquímicos:
Procesos Bioquímicos:
Un ejemplo es el proceso para la producción de aceites de alga, en los que se sintetizan omega 3 (Extracción por Ruptura celular para microalga N-2.), aceites que son direccionados a biodiesel y gas de síntesis (Extracción por Solventes para microalga Schizochytrium sp. N-2.) los que se pueden direccionar hacia bioenergía y cogeneración, en los que se evalúan dos tecnologías para la recuperación de los aceites dentro de las microalgas.
Microalgas
Las algas son microorganismos fotosintéticos que como las plantas terrestres y algunas bacterias fotosintéticas, utilizan la energía del sol para crear materia orgánica a partir del CO2 atmosférico y del agua.
Existen más de 30.000 especies conocidas de algas, desde las microscópicas (microalgas) flotando en los estanques, hasta las gigantes que pueden llegar a alcanzar cien metros que habitan los océanos.

Las microalgas son la forma más primitiva de las plantas superiores. Si bien el mecanismo de la fotosíntesis en las microalgas es similar a la de las plantas superiores, las microalgas, debido a su estructura celular sencilla, son generalmente más eficientes para convertir la energía solar en lípidos, el componente base que serán después transformados en biocombustibles.
Las microalgas están siendo consideradas, en los últimos años, como una potencial materia prima para la producción de biodiesel, el biocombustible sintético y líquido que se obtiene a partir de aceites vegetales de plantas oleaginosas.

El biodiesel es el éster metílico generado a partir de un aceite vegetal, algas o animal de calidad similar al gasóleo.
Biodiesel
Características
No es contaminante, a pesar de que su combustión produce C02 que va a pasar a la atmósfera.

Es biodegradable

No es tóxico

Produce cerca de 60% menos emisiones de dióxido de carbono.

Sus emisiones de smog son 65% menores que el diésel derivado del petróleo.
Algunos de los usos del biodiesel son autos movidos a biodiesel, calefacción para el hogar en base a biodiesel, generadores de electricidad en base a combustible biodiesel, etc.
¡Importante!
Características
Las algas tienden a producir una alta cantidad de ácidos grasos poliinsaturados, lo que disminuye la estabilidad del biodiesel. Pero los ácidos grasos poliinsaturados tienen puntos de fusión bajos por lo que en climas fríos es mucho más ventajoso que otros tipos de biocombustibles.

La producción de biodiesel de algas tiene las características de reducir las emisiones de CO2 y compuestos nitrogenados de la atmósfera
Las microalgas son un organismo crucial para el medio ambiente, no solo como productoras de combustibles de origen renovable como el biodiesel, que es biodegradable y no provoca efecto invernadero. Durante su crecimiento, las algas microscópicas absorben grandes cantidades de dióxido de carbono proveniente de los gases industriales que contribuyen al calentamiento global del planeta.
Importancia
Clasificación
Los biólogos han clasificado las microalgas en diferentes grupos que se distinguen principalmente por su pigmentación, ciclo de vida y su estructura celular.
Las mejores cepas son las algas verdes Chlorophyceae. Las algas verdes son los progenitores evolutivos de las plantas modernas y son además muy abundantes en agua dulce).
El compuesto orgánico de almacenamiento principal para las algas verdes es el almidón, aunque los aceites también pueden ser producidos bajo ciertas condiciones.
Las diatomeas (Bacillariophyceae) son también buenos candidatos, pero el factor limitante es la necesidad de Si para su crecimiento y producción de lípidos, mientras que las algas verdes solo requieren nitrógeno para crecer.

Estas algas componen el fitoplancton de los océanos.
Diatomeas
Algas Verdes
Proceso
Una vez seleccionada la cepa de microalga con los mayores rendimientos, se cultivan en grandes estanques abiertos (conocidos como raceways o Lagunas Abiertas (LA)) o en fotobiorreactores ((FBRs) tubos transparentes).

Después de la cosecha, se puede extraer los triglicéridos de las células con diferentes métodos (centrifugación, tratamiento con disolvente, lisis térmica, etc.). La extracción más simple y más popular utiliza como disolvente el hexano. Combinado a un sistema de presa, la extracción con hexano puede extraer hasta 95% del aceite contenido en las células de microalgas
Debido a la gran masa molecular y la estructura química de los aceites, no podemos emplear el biocombustible de microalgas tal cual, sería demasiado viscoso, con viscosidades que van desde 10 hasta 20 veces superiores a los combustibles fósiles. Por eso da muchos problemas en la combustión y la atomización en los sistemas de inyección de los motores actuales diseñado para recibir combustibles fósiles.
Transesterificación
En la década de 1980, se introdujo un proceso llamado transesterificación, proceso de fabricación para rebajar la viscosidad de los aceites. Químicamente, la transesterificación es la transformación de un triglicérido en un éster de alcohol (o biodiesel), en presencia de un alcohol (metanol o etanol) y un catalizador (un álcali o un ácido), obteniendo glicerina como subproducto.

Después de la reacción química, se obtiene dos capas: la glicerina queda en la parte inferior y puede ser utilizada para hacer jabones por ejemplo, mientras que el biodiesel aparece en la parte superior. La mezcla se refina para eliminar el glicerol. El producto final es un biodiesel de microalgas que tiene propiedades muy similares a las del diesel de petróleo común.
La biotecnología ha demostrado una vez más ser una gran aliada de la industria. Estudios bioquímicos han demostrado que la acetil-CoA carboxilasa (ACAC), una enzima unida a la biotina, está implicada en el control de los procesos de la acumulación de lípidos.

A través de la ingeniería genética, podemos mejorar las tasas de producción en lípidos mediante el aumento de la actividad de la expresión del gen de esta enzima.
Cultivos de Algas para la produccion de Aceites
Las algas son capaces de crecer en un amplio rango de condiciones por la que se las encuentra en cualquier zona del planeta: dentro de plantas acuáticas, sobre sustrato artificial como madera o botellas, en lagunas, ciénagas, pantanos, nieve, lagos de agua dulce o salina, sobre rocas, etc.
SISTEMA ABIERTO
SISTEMA CERRADO
Sistema Abierto
Debido a que las algas necesitan de luz celular, CO2 y agua para crecer, pueden ser cultivadas en estanques y lagos. A estos tipos de cultivos se los llaman “sistemas abiertos”.

El riesgo de este tipo de sistemas de cultivos es la alta probabilidad de ser contaminados por otros tipos de algas, ya que las algas que tienen el mayor componente en aceite no necesariamente son las que más rápido crecen, por lo que algunas cepas de algas contaminantes podrían invadir masivamente el cultivo.

Por otro lado en este sistema se tienen poco control frente a condiciones ambientales tales como temperatura del agua, CO2, intensidad lumínica, por lo que el crecimiento del cultivo depende de las condiciones del medio y en general se produce en los meses más cálidos.
La ventaja que tienen los sistemas abiertos es que son muy baratos y fáciles de construir ya que básicamente lo que se hace es construir estanques o piletones en el suelo.
Sistemas Cerrados
Un sistema alternativo para el crecimiento de algas es mediante invernaderos, también en estanque. Aunque se reduce el área de cultivo se solucionan muchos problemas que poseen los sistemas abiertos: menor probabilidad de contaminación por especies no deseadas, pueden cultivarse un mayor número de especies, el periodo de cultivo es mayor ya que hay control de la temperatura y puede incrementarse la cantidad de C02 en el ambiente, con lo que también aumentaría la tasa de crecimiento de las algas.

Otro tipo de sistemas cerrados de cultivos son los Fotobiorreactores los que incorporan luz blanca y natural y donde las condiciones son más controladas que en los sistemas abiertos. Son sistemas muy costosos pero que tienen un alto rendimiento en cuanto a la producción de aceite de algas.
Tubos plásticos o de vidrio de forma triangular: Gases como C02 y O2 se hacen fluir desde la parte baja de la hipotenusa y algas con medio de cultivo se hacen fluir en el sentido opuesto.

Fotobiorreactores tubulares en forma horizontal: Son tubos de acrílico en el que se hace circular en forma horizontal medio de cultivo más algas para que están no precipiten y todas reciban la misma cantidad de luz y nutrientes

Columna vertical de burbujas: Se genera circulación del medio con algas en una columna vertical a través del flujo de gases como dióxido de carbono. Se ilumina a través de tubos de luz a lo largo del tubo, cuyo objetivo es disminuir el costo del cultivo de algas a gran escala y hacerlo más simple.

Equipos de fermentación: Algunas compañías obtuvieron aceite de algas sin crecimiento fotosintético, sino alimentando a las algas con azucares que luego estas fermentaban.
Tipo de fotobiorreactores
Las algas están compuestas básicamente por proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y ácidos grasos. Los ácidos grasos se encuentran en las membranas, en los productos de almacenamiento, metabolitos, etc.

El porcentaje de ácidos grasos varía según la especie, aunque hay especies cuyos ácidos grasos representan 40% de su peso seco. Estos son los ácidos grasos que luego son convertidos en biodiesel. Para la producción de estos se buscan algas que contengan un alto contenido en lípido y que sean fácilmente cultivables.
Tipo de Algas que se cultivan
Existen otras especies de algas que potencialmente pueden ser utilizadas en la producción de biodiesel por su alto contenido de aceites:

Scenedesmus dimorphus: Esta es una de las preferidas por el alto rendimiento de aceites para biodiesel, pero uno de los problemas es que produce gruesos sedimentos si al cultivo no se lo agita con frecuencia

Dunaliella tertiolecta: Esta cepa produce cerca de 37 % de aceites. Es una cepa que crece rápido lo que significa que tiene una alta tasa de absorción de CO2.

Bacilliarophyta (diatomea) : El problema es que necesita silicona en el agua, mientras que las Clorofita necesitan nitrógeno para crecer

Chlorofita - Algas verdes tienden a producir almidón, en vez de lípidos. Tienen tasas de crecimiento muy altas a 30 ºC con alta intensidad de la luz agua de tipo en 55 mmho/cm.
La transesterificación consiste en reemplazar el glicerol por un alcohol simple, como el metanol o el etanol, de forma que se produzcan ésteres metílicos o etílicos de ácidos grasos.

Este proceso permite disminuir la viscosidad del aceite, la cual es principalmente ocasionada por la presencia de glicerina en la molécula. La alta viscosidad del aceite impide su uso directo en motores diésel, desventaja que se supera mediante este proceso.

Nota: Para lograr la reacción se requieren temperaturas entre 40 y 60ºC, así como la presencia de un catalizador, que puede ser la soda o potasa cáustica.
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