BiotecnologBiotecnologíía y Alimentacia y Alimentacióónn

IV.IV. Medio ambienteMedio ambiente

CURSO DE BIOTECNOLOGCURSO DE BIOTECNOLOGÍÍA EN LA EMPRESAA EN LA EMPRESAV EDICIV EDICIÓÓNN

David TomDavid Tomáás s FornFornééssdtomas@ainia.esdtomas@ainia.es

BIOENERGBIOENERGÍÍA COMO SOLUCIA COMO SOLUCIÓÓN N AL APROVECHAMIENTO AL APROVECHAMIENTO

DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALESDE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES

CONTENIDOS

3

• INTRODUCCION

• REQUERIMIENTOS BASICOS DE CULTIVO

• USOS DE LAS MICROALGAS

• SISTEMAS DE CULTIVO DE MICROALGAS

• SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS

• POSIBILIDADES DE DESARROLLO

• RUEGOS Y PREGUNTAS

www.ainia.es

INTRODUCCION

4

¿Quienes son las algas?

www.ainia.es

Más de 80.000 especies conocidas / 5.000 estudiadas

Elevadas eficiencias fotosintéticas (1-2% vegetales / 5-8% microalgas)

Elevadas productividades

• biomasa (35 g/m2.d = 0,15 g/L.d)

• aceite (L/ha.a): microalgas 58.000 vs. palma 5.800

Grupo heterogéneo de organismos en medio acuático dulce o salino (macroalgas,

microalgas, cianobacterias...)

Alto aprovechamiento de su biomasa

PROBLEMA: los costes de producción!!!!

10 > !!

REQUERIMIENTOS DE CULTIVO

5

LUZ

fuente de energía

CO2

fuente de C

NUTRIENTES

macro y

micronutrientes (N,

P,K, etc.)

BIOMASA ALGAL

MEDIO ACUATICO

REQUERIMIENTOS DE CULTIVO

6

• LUZ : fuente de energía

• CO2 : fuente de C

• NPK: metabolismo y

síntesis de proteínas

CONDICIONES FOTOAUTOTROFICAS

RW (30 cm)

• densidad: 0,5 g MS/L

• prod.: 0,15 g/L.d

• LUZ : fuente de energía

• CO2 : fuente de C

• NPK

CONDICIONES MIXOTROFICAS (Alto contenido en materia orgánica)

CULTIVOS LAMINARES

(1-4 cm)

• densidad: 10 g MS/L

• prod.: 0,95 g/L.d• M. Orgánica (DQO)

fuentes C y energía

REQUERIMIENTOS DE CULTIVO

7

EDAR

Aislamientos en placacon antibióticos

EnriquecimientosColonizaciónfotoautotrofica

Indígena B Indígena CIndígena M4

Cepas indígenas aisladas

AISLAMIENTO DE MICROORGALGAS DE MEDIOS NATURALES

Banco de mircoorganismos

de ainia

USOS DE LAS MICROALGAS

8

CARBOHIDRATOS

• Bioetanol

• Cerveza

• Galletas

LIPIDOS

• Biodiesel

• PUFAs (Ω3, Ω6)

PROTEINAS

• Alimentación animal

(S. platensis)

MICROALGAS

EXTRACTOS

• Luteína (atiox.) (S. almeriensis)

• Bioestimulantes

• Etanol

TODO

• Biogás

• Biofertilizantes

• Acuicultura

• Aditivos alimentarios

EXCRECION

• Astaxantina (atiox.) (H. pluvialis)

• Etanol

• Polisacáridos

• Lípidos (B. braunii)

• Convencionales

• Supercrítica

USOS DE LAS MICROALGAS

9www.ainia.es

BIODIESEL-BIOGAS: Desarrollo e integración de tecnologías para el

aprovechamiento energético integral de Microalgas. -> P. BIOMAQUA

Microalgas para BIODIESEL : Solix, Seambiotic, Oil Fox,

http://www.makebiofuel.co.uk/news/eads-aircraft-runs-on-algae-biofuel

BIOGAS: Técnicas avanzadas de cultivo y valorización energética de microalgas.

-> P. ALGAMET

BIOCOMBUSTIBLES

Etanol: Producción directa de etanol con microalgas. Algenol

http://www.cyanotech.com/company/facility.html

AINIA

GAIKER CIDAUT

USOS DE LAS MICROALGAS

10www.ainia.es

INGREDIENTES NUTRICIONALES (galletas): alimentos a partir de microalgas que

refuerzan sistema inmune. -> P. INMUGAL

PRINCIPIOS ACTIVOS: Bioproducción de principios activos (colorantes

alimentarios, PUFAS, polisacáridos, etc.) a partir de microalgas. -> P.

NUTRIALGAE

NUTRACEUTICA: Nuevas técnicas de extracción de fracciones de microalgas

enriquecidas en Omega 3. Ejemplo. -> P. EXTRASUPER

BIOESTIMULANTES: Desarrollo de bioestimulantes/biodefensivos a partir de

microalgas que aumenten la productividad en campo.

SECTOR ALIMENTARIO

SECTOR AGRONOMICO

SECTOR COSMETICO

NUEVOS PRODUCTOS: “Cosmetic Ingredients from the Sea Natural Cosmetic ”.

USOS DE LAS MICROALGAS

11www.ainia.es

..... Biorrefinería

Agencia internacional de la Energía T42:

Proceso sostenible de procesar biomasa en un amplio espectro de bio-

productos (alimentos, químicos, materiales) y biocombustibles y/o

energía así como maximizando el valor añadido de los compuestos

extraídos.

Tubulares verticales

SISTEMAS DE CULTIVO DE MICROALGAS

12www.ainia.es

Bolsas verticales

Bolsas sumergidas

Tubulares horizontalesAbiertos tipo Race Way

Bolsas planas

SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS

13

SITUACION PLANTAS DE BIOGAS AGROINDUSTRIALES

• Entorno agrícola -> espacio

• Elevados niveles de insolación (España)

• Disponibilidad CO2 in situ (posible purificación)

• Nutrientes in situ

BENEFICIOS

• Biomasa con capacidad nutricional para alimentación animal

• Biomasa con capacidad biofertilizante / bioestimulante

• Minimización del N a gestionar (170 kg/ha.a)

• Biomasa biometanizable (400 – 550 L biogás/kg SV)

ESCOLLOS -> Costes de producción

• mano de obra

• cosechado

• energía de operación...

SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS

14www.ainia.es

LIFE CYCLE ANALISIS (LCA)

PBR

BiogasCO2CH4

Digestate(N P K)

CO2

Heat Power

Generator(HPG)

CH4

ENERGYAll algae biomass

HARVESTING

H2O

Organic waste

BIOGASPLANT

Biogas scenarioPBR

BIODIESEL

Algae non lipids

Engine

ENERGYAlgae lipids

HARVESTING/ LIPID EXTRACTION

H2O

GlycerineOther

reagents

BIODIESEL PLANT

Biodiesel scenario

VS.

Proyecto BIOMAQUA

15www.ainia.es

SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS

1 m3 biogás

CH4

CO2

CHP 1 m3 (aprox.)

CO2

(1,96 kg)

1,07 kg MS

microalgas

Contiene

0,086 kg N

Concentración N en digestato

(aprox.)

2 kg N/m30,043 m3

digestato req.

8 % N

1,83

kg CO2/kg MS

SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS

16www.ainia.es

1 ha RWDIG TOTAL

27.375 m3/a

500 KW

3000 m3

CHP

Biomasa algal

109 t/a

COSECHA

30% costesDIG. FIJADO

4.380 m3/a

DIG. A GESTIONAR

22.995 m3/a

R. Agro

CO2 1.400 t/a

CO2 200 t/a

CO2 1.200 t/a

H2O

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (días)

Bio

gás [

L/kg S

V]

S. almeriensis C. reinhardtii N. gaditana

Potencial de biometanización

17www.ainia.es

POSIBILIDADES DE DESARROLLO

ESCOLLOS CAMPOS EN DESARROLLO

Costes de producción

Sistemas de cultivo

Cosechado “low cost” -> Propuesta Life

Sistemas automatizados y sencillos

Nutrientes a bajo coste (EDAR, EDARI, digestatos…)

Diseños más eficientes (ej./ Incremento de la captación

lumínica) -> Proyecto Cenit Vida

Sistemas automatizados y sencillos

Cultivos mixotróficos (10 g/L)

CO2 a bajo coste (centrales térmicas, biogás post

combustión, procesos fermentativos…)

Materiales bajo coste (bolsas...)

Abordaje integral contemplando objetivos definidos y teniendo en

cuenta los aspectos microbiológicos, productivos y de valorización

exhaustiva de los cultivos algales (biorrefinería).

El escenario del biogás agroindustrial ofrece condiciones propicias

para la producción y aprovechamiento sostenible de las microalgas

aprovechando sinergias de corrientes residuales y que desde ainia

venimos abordado y trabajamos por continuar explotando.

The case of biodiesel

• EEUU annual consumption of transport fuel 530 millions of m3

• Estimated crops areas for different energy plants.

Crop Oil yield (l/ha) Land area needed (Million ha)

% of existing US cropping area

Corn 172 3.080 1.002

Soybean 446 1.188 652

Canola 1.190 446 244

Jatropha 1.892 280 154

Coconut 2.689 198 108

Oil palm 5.950 90 48

Microalgae 20% w/w oil in biomas 35.202 15,2 8

Microalgae 40% w/w oil in biomass

70.405 7,6 4

• Proved productivity of some microalgae 158 tm/ha/year

Why algae are so interesting

Microalga Oil content (% dry wt) Type

Botryococcus braunii 25-75 !!! Green algae

Chlorella sp. 28-32 Green algae

Cylindrotheca sp. 16-37 Diatoms

Nannochloropsis sp. 31-68 !!! Green algae

Neochloris oleabundans 35-54 Green algae

Nitzschia sp. 45-47 Diatoms

Phaeodactylum tricornutum 20-30 Diatoms

Very high oil content in some microalgae

But costs of microalgae biofuels are higher than other biofuels.

• Cost of microalgae fuels 2-20 € / liter• Cost of other biofuels 1-2 € / liter

Why these costs ?

1. Low process productivity

• Search for high productivity Microalgal strains.

• Improve photobioreactors design.

2. Expensive facilities.

• Low cost photobioreactors.

• Alternative methods of harvesting

• Alternative methods of oil extraction

3. High operating costs.

• Automation of processes

• Reduce energy costs

• Reduce the costs of CO2, water and nutrients

11-12-2012

Descifrando la “caja negra”: aplicación de técnicas de biología molecular en el ámbito de la bioenergía. El caso de la

digestión anaerobia

Generalmente en plantas industriales se mide:

- Sólidos totales y volátiles- Temperatura- Composición del biogás- A veces: pH y relación de alcalinidades

Estos parámetros no permiten saber cómo está el proceso desde un punto de vista microbiológico ni tampoco predecir fallos.

A veces se analiza ácidos grasos volátiles (AGV): este parámetro sí permite predecir fallos aunque no aporta datos sobre la microbiota.

Mejorar el conocimiento de la ecología microbiana característica de los digestores anaerobios aplicados al tratamiento de residuos orgánicos, de forma que se puedan correlacionar parámetros microscópicos con los macroscópicos del comportamiento del sistema.

Para descifrar esa “caja negra”:

• Microbiología convencional:

- Poblaciones microbianas muy diversas con condiciones de crecimiento muy diferentes- Necesidad de medios con diferentes requerimientos- Recuperación de un % muy bajo respecto a la flora total (solo la adaptada a las condiciones del laboratorio)

• Método alternativo: biología molecular

PCR-DGGE (eubacterias y arqueas): evalua la flora global

qPCR de grupos concretos (eubacterias y arqueas metanogénicas)

La metanización de residuos agroindustriales involucra la participación de bacterias y arquea de manera sinérgica, a fin de degradar la materia orgánica hasta metano mediante su hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis

Electroforesis en gel en gradiente desnaturalizante: técnica capaz de diferenciar fragmentos de amplificación de igual tamaño pero distinta secuencia.

Fases:

1. Extracción de ADN total de la muestra: sin necesidad de obtener cultivos bacterianos.

2. PCR de un fragmento variable en secuencia entre especies, géneros, familias,…

3. Detección mediante electroforesis en gel de poliacrilamida con gradiente desnaturalizante

PCR-DGGE

Materia orgánica

PCR-DGGE

• Digestores anaerobios con un volumen total de 36 litros y un volumen útil de 30 litros. • Dotados de agitación y se alimentan en régimen semi-continuo (una vez al día). • Operan a 38ºC• Disposición de medición del biogás (volumen y composición). Disponen de una válvula para la extracción de digerido

D2 se alimenta con estiércol de vacunoD6 se alimenta con una mezcla de subproductos pesqueros, lodos y residuos hortofrutícolas.

Subproyecto 14: INTERRELACIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS Y LOS PARAMETROS DE OPERACIÓN EN DIGESTORES ANAEROBIOS

PCR-DGGE

MW D2 D2 D2 D6 D6 D6 C- C+ MW D2 D2 D2 D6 D6 D6 C- C+

arqueas eubacterias

¿Qué ocurre si hacemos una PCR sin gradiente en gel de agarosa?

No hay distinción entre especies bacterianas dentro y entre muestras

PCR-DGGE

MW D2 D2 D2 D6 D6 D6 MW MW D2 D2 D2 D6 D6 D6

arqueaseubacterias

PCR-DGGE

Pocillo ID Descripción

1 Ladder 100 pb

2 GC1 Puesta en marcha

3 GC2 Velocidad de carga orgánica mayor

4 GC3 Primera adición de grasa

5 GC4 Final del primer período de adición

6 GC5 Segunda adición de grasa

7 GC6 Final del segundo periodo de adición

8 GC7 Tercera adición de grasa

9 GC8 Mezcla de fangos activos

10 GC9 Mezcla de fangos activos 11 GC10 Grasa

12 Ladder 100 pb

PCR-DGGE

Análisis de la microflora completa e identificación de especies:

PCR-DGGE

Equipamiento:

PCR cuantitativa

PCR tiempo real para arqueas metanogénicas: cuantificar la evolución de genes funcionales como la metil coenzima reductasa A (mcrA).

1. Extracción del ADN total2. PCR específica para arqueas3. Detección mediante uso de reactivos fluorescentes

Técnicas moleculares

Aplicaciones en ecología microbiana:

Estudiar la complejidad de microorganismos ambientales en una comunidad compleja (16S ADNr): DGGE

Analizar la distribución espacial y temporal de poblaciones bacterianas (monitorizar en el tiempo): DGGE

Analizar como varía la composición de las poblaciones frente a la adición de diferentes compuestos: DGGE

Buscar microorganismos “indicadores” y específicos de nuestro proceso (arqueas metanogénicas): qPCR.

Técnicas moleculares

• Conocimiento más amplio de los procesos de inhibición de la biomasa anaerobia, permitiendo seleccionar y determinar los grupos más robustos a dichas inhibiciones.

• Selección de las biomasas anaerobias en función del sustrato utilizado para la alimentación del digestor anaerobio.

• Mayor control del proceso y optimización en la producción de biogás a partir de biomasas anaerobias más adecuadas

2. Mejor conocimiento de las dinámicas de las poblaciones microbianas implicadas para:

1.Mejorar el conocimiento consorcio microbiano involucrado en elproceso de la digestión anaerobia

Beneficios:

Muchas gracias

www.ainia.es 35