ALGAPOTENCIAL MATERIA PRIMA PARA LA

PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE MEDIANTE PIROLISIS

Danny Mauricio Muñoz Lay

• Chile avanza hacia el desarrollo tanto por su calidad de servicio y producción minera. La fuente energética sigue siendo su talón de Aquiles, puesto que se da una relación de dependencia respecto del recurso gasífero y petrolero, por ende también de su mercado.

• Es por esto que surge la necesidad de avanzar e investigar sobre el desarrollo de nuevas energías, más específicamente aquellas que sean de tipo renovables a fin de producir energías limpias y que además sean amigables con el medio ambiente.

• Los parques eólicos y placas fotovoltaicas son un gran ejemplo de las llamadas ERCN (Energía Renovable No Convencional) que dado el desafío que enfrentamos, la utilización de estos recursos resulta insuficientes para suplir la necesidad energética del país.

• Es por ello que generar “biocombustible” a base de biomasa ha sido la apuesta de muchos científicos actualmente para la generación de energía.

INTRODUCCIÓN

• Aceites vegetales, la madera y algas han sido considerados potenciales materias primas para la generación de biocombustible. Sin embargo, las algas están recibiendo cada vez más atención por su capacidad de fijación de CO2 y para el tratamiento de gases provenientes de las termoeléctricas.

• En comparación con las plantas terrestres, las algas tienen los índices de tasas más altas de crecimiento, menos requerimientos de tierra y los métodos más flexibles para el cultivo.

• A esto se agrega que no existe competencia alguna entre las algas con otros cultivos. Es por esta razón que el cultivo de algas no impactará negativamente los precios de los alimentos o de otras actividades humanas. 

ALGAS• Las algas son un grupo orgánico muy diverso. Los

cuales dentro de su diversidad se ordenan según su complejidad que van desde seres microscópicos unicelulares hasta organismos multicelulares que forman grandes colonias muy grandes y vistosas. 

• Además contienen hidratos de carbono, proteínas, lípidos y nutrientes muy valiosos. En algunos casos, el contenido de lípidos en micro algas puede alcanzar hasta el 70% de su peso seco de biomasa.

• Su tasa de crecimiento puede ser 4 veces mayor respecto a las plantas terrestres

¿Cómo se obtiene el biocombustible desde las algas?

Hoy en día existen muchas tecnologías de conversión de biomasa que son aplicadas de acuerdo a la factibilidad económica y las características del producto deseado.

• EXTRACCIÓN DE LIPIDOS: Para la producción de Biodiesel desde las algas, éstas primero, se deben secar y desde ahí extraer con solventes orgánicos los aceites de las células de las algas.

• Múltiples técnicas, incluidas la sonicación y tratamiento por microondas han sido investigadas, siendo el microondas el método más eficiente.

• No obstante, se ha observado que resulta difícil extraer completamente el aceite intracelular a partir de algas de manera económica.

• El rendimiento de extracción de aceite y la eficiencia dependen en gran medida del método de extracción específico y las especies de algas específicas.

• CONVERSIÓN BIOLÓGICA: La producción de Bioetanol es una tecnología madurada que utiliza azúcares como el sustrato. Otro método es la digestión anaeróbica a través de la descomposición de materia orgánica en gas metano.

TERMODESCOMPOSICIÓN QUIMICA: Como casi dice explícitamente el concepto, es la termo descomposición de la materia orgánica de la biomasa, la cual es utilizada para producir combustible. Su principal ventaja es que este proceso se desarrolla en un lapso menor si se compara con el tiempo empleado en uno de conversión biológica. Existen diversos procesos de termo descomposición ya sea gasificación, conversión hidrotermica y “pirólisis”.

Algae Biomass

Transterisfication

Biodiesel

Thermochemical Convertion

GasificationHydrothermal

ConvertionPyrolysis

SyngasBio-Oil, Biochar

and Syngas

BiologicalConvertion

AnaerobicDigestion

Fermentation

EthanolMethane,Hydrogen

PIROLISIS• ¿Que es la PIROLISIS?

La Pirolisis es la termo descomposición mediante calor y ausencia de oxigeno. La degradación de la biomasa en biocombustible, carbón y gases.Se considera que es uno de los enfoques térmicos prometedores en la conversión de biomasa en energía y se ha investigado ampliamente para la recuperación de energía a partir de biomasa, tales como: lignocelulosa y lodos de aguas residuales. A diferencia de los materiales lignocelulósicos que están compuestos principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina, Las algas contienen principalmente hidratos de carbono, proteínas y lípidos, compuestos que pirolizan más fácilmente que las contenidas en los materiales lignocelulósicos, especialmente aquellos con alto contenido de lignina.

PIROLISIS• La pirolisis es un proceso altamente complejo que

está influido por varios factores, entre ellos se encuentran las propiedades, componentes de la materia prima y las condiciones operacionales, principalmente temperatura y presión.

• Precisamente la temperatura es el factor que más influye en la variación de rendimiento de biocombustible obtenido.Es por esta razón que existe una gran gama de pirolisis, dentro de aquellas que destacan está la “Fast-Pyrolysis o Quick Pyrolysis” (fig. A)

FAST-PYROLYSIS• La Fast-Pirolisis es la conversión térmica mediante

un calentamiento “instantáneo” de la biomasa.• Tiene el potencial de convertir algas en

biocombustible y reemplazar a los combustible convencionales, pero el contenido de nitrógeno en las algas se opone a esta idea. Durante el proceso de pirólisis , el nitrógeno que proviene principalmente desde las proteínas y los aminoácidos se convierte en varios compuestos nitrogenados incluidos los pirroles, nitrilos, índoles, piridinas y polímeros aromáticos.

• ¿Cuál es el problema?Esta gran cantidad de nitrógeno no es deseable desde el punto de vista de la combustión ya que se produce lo que se conoce como “Óxidos de Nitrógeno”. Los Óxidos de Nitrógeno no sólo irritan la mucosa, es más, combinados con los Hidrocarburos contenidos en el smog suspendido en la atmósfera más la humedad del aire, produce Ácidos Nitrosos. Los cuales finalmente precipitan sobre la tierra en lo que se denomina como lluvia ácida.

EXPERIENCIAS RESPECTO A LA FAST-PYROLYSIS

• El 2012 se desarrollo experimentalmente una fast-pyrolysis de la microalga llamada “Chlorella vulgaris” en Iowa State University, Ames, United States. Esta microalga presento un 53% en rendimiento de biocombustible, 31% de carbón y 10% de gas. Cabe decir que dicha microalga no es una muestra representativa debido a la variedad de algas existentes pero si es un índice aproximado para debatir sobre el proceso.

PROPUESTA

• Hoy en día se puede contar con una serie de investigaciones bastante significativas que se han dedicado al estudio de la ¨Pirólisis catalítica” que desoxigena estos compuestos considerados nocivos, con el fin de producir una mejor calidad de biocombustible.

• Varios tipos de catalizadores se han probado en estos

estudios, incluyendo óxidos metálicos, zeolitas, y metales de transición. Dentro de estos catalizadores, la zeolita se ha investigado ampliamente, debido a su capacidad de convertir compuestos oxigenados derivados de la biomasa en hidrocarburos aromáticos.

• Sin embargo, planteo en conocimiento un catalizador que ha mostrado el mejor desempeño en términos de fracción de rendimiento de los aromáticos. Además los catalizadores de zeolita también son capaces de convertir los compuestos nitrogenados derivados de la proteína en hidrocarburos aromáticos. Mientras que la liberación de nitrógeno en forma de amoníaco se puede utilizar como un fertilizante de nitrógeno. Estos dos procesos adicionales mejorarían enormemente la economía de una biorefinería de microalgas.

PROPUESTA• En general, las alga se analizan mediante un “micropyrolizer

(model 5200, CDS Analytical, Inc.)” que termodescompone la biomasa en gases, luego estos gases son llevados a un cromatógrafo de gases (GC-MS) para finalmente conocer la composición química de las algas.

• Teniendo conocimiento de aquello, se concluye si la alga es o no una potencial materia prima para producir biocombustible.

• Sin embargo, el costo de estos equipos es bastante elevado, lo que en cierta manera dificulta y condiciona su accesibilidad.

SOLUCIÓN• Puedo diseñar un reactor de Fast-Pyrolysis del cual se puede

obtener el biocombustible de distintas algas. Mediante el balance de masa se puede medir la cantidad de biocombustible obtenido, posteriormente se procede al análisis del biocombustible a través de cromatografía liquida (HPLC – LTI) y una bomba calorimétrica para conocer su composición química y su poder calorífico para finalmente determinar si dicha alga es potencialmente materia prima. La cualidad más atractiva de este análisis es su bajo costo, lo que permite un acceso efectivo a este tipo de energías no convencionales incluso en términos económicos se garantiza su sustentabilidad a través de la optimización de los recursos empleados.

• Como es una técnica recientemente desarrollada por la comunidad científica, resulta pertinente continuar con el mejoramiento del proceso. Para ello es necesario generar nuevos estudios en torno a este tema, a los cuales a título personal pongo toda mi disposición y esfuerzo asumiendo la responsabilidad como un compromiso que está a la altura de este bello desafío.

CONCLUSION

• Las algas como materia prima, resulta ser un recurso altamente rentable para la producción de biocombustibles, ya que puede ser considerado un producto bajamente escaso, puesto que se haya presente en lo extenso de todo el territorio en su zona costera de norte a sur. Esta condición geográfica permite una obtención del recurso a tratar de manera bastante accesible y como alternativa, puede ser considerada también como una opción viable, el cultivo de las microalgas.

• Si bien es cierto, actualmente en Chile ya se trabaja la obtención de Biodiesel en las algas. No obstante, sabemos que la extracción de lípidos en las algas es bastante difícil razón por la cual es necesario trabajar e investigar la pirolisis como la nueva alternativa de conversión de biomasa para la producción de biocombustible.

• Hasta el momento, aunque se han llevado a cabo varios estudios sobre la pirolisis de algas, el conocimiento respecto a este tema resulta aún muy limitado y los fundamentos relativos a la pirolisis de algas aún no han sido plenamente comprendidos, lo cual es necesario seguir perfeccionándolo a través de la discusión y el desarrollo científico.

EXPERIENCIA

• Desde el 20 de Diciembre del 2013 hasta el 31 de Marzo del 2014 trabajé como “Reseach Internship” en el laboratorio de conversión de biomasa (Fig. 1) en la Universidad de Villanova, Filadelfia Estados Unidos. Investigué y realice diferentes ensayos de pirolisis con diferentes tipos de biomasa ligninocelulósica, como lo son: el pino, phragmites (maleza), roble y swich grass. Además junto a Dr. Justinus Satrio trabajamos en el estudio y análisis de seis muestras de algas como potenciales materias primas para la fabricación de biocombustible mediante cromatografía de gases (GC-MS) y TGA (análisis termo gravimétrico).

Figura 1: Laboratorio de conversión de biomasa en Villanova