Biodiesel Microalgas

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UNIVERSIDAD AUTNOMA DE YUCATN POSGRADO INSTITUCIONAL EN CIENCIAS QUMICAS Y BIOQUMICAS

Comunicacin Cientfica y Tecnolgica

Investigacin Bibliogrfica:Biodiesel a partir de microalgas"

Profesor:M. en C. William Reyes

Alumno:IQI Ulises Gracida Alvarez

Mrida, Yucatn 10 de Noviembre de 2012

CONTENIDO

1. Introduccin 2. Antecedentes 2.1. Biodiesel 2.2. Microalgas como fuente de lpidos para produccin de biodiesel 2.3. Metabolismo de la produccin de lpidos 2.4. Efecto de los nutrientes en la productividad de lpidos 2.5. La especie Chlamydomonas reinhardtii 3. Referencias bibliogrficas

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1. Introduccin

La sostenibilidad es un principio clave en el manejo de los recursos naturales, el cual involucra eficiencia operacional, minimizacin del impacto ambiental y

consideraciones socioeconmicas (Brennan y Owende, 2010). Cada da se hace ms evidente que continuar con la dependencia en las fuentes fsiles de energa no es sostenible, pues su uso ha contribuido de manera significativa al calentamiento global, debido a los gases de efecto invernadero (GEI) generados en su ignicin (Brennan y Owende, 2010; Hossain-Sharif et al., 2008; Tagea y Martnez, 2008). Por otro lado, el crecimiento apresurado del consumo energtico mundial ha ocasionado la rpida disminucin de estas fuentes de energa (Ng et al., 2010). Las principales fuentes de GEI son los procesos de generacin de electricidad y calor y los medios de transporte (IEA, 2010; Mata et al., 2010). Como alternativa para reducir las emisiones de GEI producidas por el sector de transportes, se ha hecho necesaria la generacin de combustibles alternos que sean sustentables, econmicamente factibles y amigables con el medio ambiente. Como posibles sustitutos de los combustibles a base de petrleo se encuentran el hidrgeno, el gas natural y los biocombustibles (Ng et al., 2010), estos ltimos son combustibles lquidos o gaseosos que se producen, principalmente, a partir de biomasa (Ayhan, 2008). Las fuentes de biocombustibles derivadas de cultivos terrestres y materiales lignocelulsicos (aceites de maz, canola, palma, jatrofa, etc.) tienen el inconveniente de competir por el uso de suelo y agua para agricultura. Otras fuentes como los residuos agropecuarios y domsticos, no logran satisfacer la demanda actual de combustibles (Dragone et al., 2010; Schenk et al., 2008). Por lo tanto, es necesario el desarrollo de materias primas para biocombustibles que hagan frente a estos desafos. Una alternativa es la utilizacin del aceite extrado de microalgas como fuente de biocombustibles. Las microalgas tienen la ventaja de poder producirse durante todo el ao; por consiguiente, poseen una alta productividad de biodiesel (hasta 121,104 kg ha-1 ao) comparada con los cultivos terrestres (hasta 4747 kg ha-1 ao) (Mata et al., 2010; Singh y Gu, 2010). Adems requieren de una menor rea de cultivo y un menor uso de los recursos

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acuferos que las plantas oleaginosas (Singh y Gu, 2010). Con base en estas caractersticas, lasmicroalgas podran hacer una contribucin significativa para satisfacer la demanda

energtica, mientras proporcionan beneficios ambientales (Roessler et al., 1994). Sin embargo, a pesar de su potencial como fuente de biocombustibles, los elevados costos de operacin han impedido el desarrollo de esta tecnologa de manera tcnicamente viable (Brennan y Owende, 2010). Se sabe que el cultivo de microalgas de manera fotoauttrofa es el ms efectivo en trminos de balance neto de energa (Brennan y Owende, 2010). Este proceso de produccin incluye una etapa de cultivo en donde las microalgas se multiplican, posteriormente se realiza la separacin de las clulas del medio de cultivo y la extraccin de lpidos. A partir de stos, el biodiesel se produce mediante los mismos procesos y tecnologas que para otras fuentes (Mata et al., 2010). Para aumentar la viabilidad tcnica de este sistema de produccin, se requiere del continuo desarrollo de tecnologas para optimizar la produccin de microalgas, la extraccin de aceite y el procesamiento de la biomasa (Brennan y Owende, 2010). Para lograr la viabilidad comercial se necesitan alcanzar altos niveles de contenido de lpidos y una alta productividad de biomasa, dando como resultado un rendimiento de lpidos de al menos un 40% del peso de la biomasa (Liu et al., 2008; Suneerat, 2011). La manipulacin de las rutas metablicas es una herramienta de gran utilidad para aumentar la productividad de lpidos, ya que modificando ciertas condiciones de cultivo se favorece el enriquecimiento de la biomasa con el metabolito de inters (Rosenberg et al., 2008) La limitacin de nutrientes ha mostrado ser eficaz para este propsito, es por eso que el presente proyecto propone mejorar la productividad de lpidos en microalgas en condiciones fotoauttrofas, mediante un enfoque en el proceso de cultivo, tomando como parmetros de variacin la fuente de nutrientes y el establecimiento de relaciones carbono/nitrgeno (C/N) y carbono/fsforo (C/P) en el medio de crecimiento, que maximicen la productividad de lpidos, contribuyendo a mejorar la viabilidad del proceso de produccin de biodiesel a partir de microalgas.

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2. Antecedentes

2.1 Biodiesel El diesel es el ms utilizado de los combustibles derivados de petrleo. Sin embargo, su uso ya no se considera sostenible pues genera una gran parte de las emisiones de GEI y el agotamiento de las reservas de petrleo no podr abastecer, en el futuro, al creciente sector de transportes (Canakci y Sanli, 2008; Hossain-Sharif et al., 2008). El biodiesel, una alternativa para el diesel de petrleo, est compuesto por los steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga obtenidos de fuentes renovables, como aceites vegetales y grasas animales, para uso en motores de ignicin de compresin. Se produce mediante transesterificacin, que es una reaccin que se lleva a cabo entre los triglicridos presentes en los aceites y grasas, y un alcohol de cadena corta, por lo general metanol, en presencia de un catalizador, usualmente hidrxido de sodio (NaOH). (Meher et al., 2006). En la figura 1 se presenta la reaccin global de transesterificacin utilizando metanol.

Figura 1. Transesterificacin de los triglicridos

Entre sus propiedades se encuentran su bajo contenido de azufre, baja toxicidad, un alto punto de inflamacin, mayor lubricidad, mayor ndice de cetano (Huang et al., 2010). Adems su uso disminuye entre un 50% y 80% las emisiones netas de CO2 (Lapuerta et al., 2008), pues la cantidad liberada de este GEI se compensa con la cantidad capturada por el cultivo de la materia prima de la cual se obtienen los lpidos. De igual manera se ha reportado en su combustin una reduccin considerable en las emisiones de CO, SOX,

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hidrocarburos sin quemar, partculas de materia y compuestos aromticos policclicos (Ghorbani et al., 2011; Roessler et al., 1994; U.S. Departament of Energy, 2011). En contraste, presenta los inconvenientes de tener un incremento en el consumo de combustible debido a su menor calor de combustin, presenta un ligero aumento de las emisiones de NOX, cristaliza a bajas temperaturas, tiene alta viscosidad y se oxida fcilmente (Feofilova et al., 2010; Lapuerta et al., 2008; Macor et al., 2011). Actualmente, el biodiesel se produce a partir de aceites vegetales y grasas animales, principalmente, de aceite extrado de las semillas de soya (Chisti, 2007). Otras fuentes empleadas son los aceites de canola, palma, maz, jatrofa, grasas animales y residuos de aceite de cocina (Chisti, 2007). Desafortunadamente, el uso cultivos alimenticios, como el maz y la canola, adems de ocupar un lugar importante en los mercados mundiales de alimentos, contribuye al agotamiento del agua y la destruccin de los bosques (Brennan y Owende, 2010). Los cultivos no alimenticios, como la jatrofa y la palma, reducen algunos de los problemas asociados con los cultivos alimenticios (Dragone et al., 2010); sin embargo, tienen el inconveniente de competir por el uso de suelo arable (Schenk et al., 2008). Por otro lado, la cantidad de grasas animales y residuos agropecuarios y domsticos generados en la actualidad, no logran satisfacer la demanda actual de combustibles (Schenk et al., 2008).

2.2 Microalgas como fuente de lpidos para produccin de biodiesel Las microalgas son microorganismos fotosintticos, eucariotas o procariotas, que crecen rpidamente y viven en condiciones severas debido a su estructura unicelular (Brennan y Owende, 2010). Poseen la habilidad de sintetizar lpidos, alcanzando un contenido del 20-50% del peso seco de biomasa en la mayora de las especies (Chisti, 2007). Las microalgas como fuente de lpidos para produccin de biodiesel ofrecen las siguientes ventajas: Presentan una rpida tasa de crecimiento, por lo cual, han sido consideradas como la nica fuente que podra satisfacer la demanda de combustibles fsiles en el futuro (Chisti, 2007; Mata et al., 2010).

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Las microalgas pueden asimilar el CO2 como fuente de carbono para su crecimiento, lo cual puede mitigar los niveles atmosfricos de este GEI (Deng et al., 2011). Pueden cultivarse durante todo el ao, alcanzando valores de productividad de aceites que superan el rendimiento de las semillas oleaginosas (Brennan y Owende, 2010; Schenk et al., 2008).

Aunque crecen en medio acuoso, requieren menor cantidad de agua que los cultivos terrestres, reduciendo la carga sobre las fuentes de agua dulce (Brennan y Owende, 2010).

No requieren de la aplicacin de herbicidas y pesticidas (Brennan y Owende, 2010). Remocin de CO2 de gases de chimenea emitidos por plantas generadoras de energa, reduciendo de esta forma las emisiones industriales de GEI (Mata et al., 2010). Tratamiento de aguas residuales por medio de la remocin de amonio (NH4+), nitrato (NO3-) y fosfato (PO43-), utilizando estos contaminantes como nutrientes para su crecimiento (