Alfredo Martínez JiménezInstituto de Biotecnología

Universidad Nacional Autónoma de México

POTENCIAL DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL CON ALGAS OLEAGINOSAS

BIOENERGÍA, BIODIÉSEL Y BIODIVERSIDADEN ZONAS ARIDAS

Universidad de Sonora. 27 de Noviembre, 2008

Biocombustibles: 1Biocombustibles: 1ªª y 2y 2ªª generacigeneracióónn

1ª GENERACIÓNLIMITACIONES

• Competencia por suelos agrícolas y

alimentos.• CO2 neutro

• Balance de Energía

2ª GENERACIÓNLIGNOCELULÓSICOS

(EtOH)MICROALGALES

OtrosEl Desarrollo de CyT para la

Producción de Biocombustibleses Inaplazable

¿En Zonas Áridas?

BioDiesel

MicroalgasMicroalgas MICROORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS

• Diversidad de hábitats: agua dulce, salobre, residual, suelos, amplio intervalo de T° y pH.

• Más de 100,000 especies, de las cuales sólo ~ 40,000 han sido identificadas.

• Criterios diversos de clasificación (color, ciclo vital, estructura celular…).

Arredondo B et al, 1991; Hu Q et al, 2008; Sheehan J et al, 1998.

MicroalgasMicroalgas

CATEGORÍA COMENTARIOS

Chlorophyceae(Algas verdes)

•Especies abundantes, esp. aguas dulces.• Existen como células individuales o colonias. •Reserva de C: almidón principalmente.

Bacillariophyceae(Diatomeas)

•Abundantes en océanos (aguas dulces y residuales).•Paredes celulares con Si. • Reservas de C: lípidos y polímeros de CH’s.

Chrysophyceae(Algas doradas)

•Predominan en agua dulce.•Sistemas complejos de pigmentación.•Reservas de C: lípidos y CH’s.

OTRAS CATEGORÍAS: Xantophyceae (algas verde-amarillas), Rhodophyceae (algas rojas), Phaeophyceae (algas cafés), Dinophyceae(dinoflageladas), Prasinophyceae y Eustigmatophyceae (plancton).

Eficiencia fotosintEficiencia fotosintééticatica

CONSIDERACIONES

• 1 mol O2 = 10 fotones (mínimo).• 1 mol CO2 = 14 fotones… Peso seco = 21.25 g, Hcomb = 547.8

kJ/mol C.• Photosynthetic Active Radiation (PAR) = 400-700 nm = 42.3 %

Espectro solar total.Energía Promedio: 218 KJ/mol fotones.

EFICIENCIA MÁXIMA TEÓRICA =9% ENERGÍA SOLAR TOTAL

FRACCIÓN DE LA ENERGÍA LUMINOSA FIJADA COMO ENERGÍA QUÍMICA DURANTE EL

CRECIMIENTO FOTOAUTÓTROFO

Wijfells RH, 2007

H2

• Emisiones libres de GEI. • Catalizada por nitrogenasas /

hidrogenasas* (anaerobiosis).• Cianobacterias, bacterias

fotosintéticas y algas verdes.

• Procesos: 2 etapas o simultáneo.

• Acoplado a desalinización y captura de CO2.

H2O* 2 H+ +2 e- + ½ O2

2 H+ + 2 e- H2

Ghirardi ML et al, 2000; Schenk PM et al, 2008.

BIOGAS (CH4)

• Microalgas: opción atractiva.- Mayor disponibilidad de biomasa ante una eficiencia de producción superior (5 – 30 veces).- Composición química idónea. RENDIMIENTO: 150-300 tons/ha/año

200,000-400,000 m3/ha/año• Limitación: $.

OTROS: Bioetanol, BTL.

Biocombustibles Biocombustibles microalgalesmicroalgales

Biodiesel de plantas oleaginosasBiodiesel de plantas oleaginosas

LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE PLANTAS OLEAGINOSAS NO ES CAPAZ DE

DESPLAZAR EN UNA PORCIÓN CONSIDERABLE AL DIESEL DE PETRÓLEO.

Kalscheuer R et al, 2006; Li X et al, 2007; Schenk PM et al, 2008.

• Dependencia geográfica y estacional a las regiones de cultivo.

• Productividad lipídica restringida (~ 20%). • Tecnología agrícola. • Problemas ambientales: fertilizantes, pesticidas,

agua, uso de suelos no agrícolas• Largos periodos de producción (meses-años).• Extensa superficie de cultivo requerida. • Materia prima insuficiente.

• Mayor productividad lipídica. • Cortos periodos de producción (días). • Escasa superficie requerida (marginal). • Alta eficiencia fotosintética (~ 3-6%). • Eficacia en la asimilación de CO2 y nutrientes.• Agua (menores requerimientos y flexibilidad). • Reciclaje de CO2. • Manipulación del contenido lipídico.• Composición biomásica simple

(fermentabilidad).• Diversidad ecológica, genotípica y metabólica.• Potencial ilimitado de desarrollo?

Biodiesel de microalgasBiodiesel de microalgas

Arredondo B et al, 1991; Dismukes GC et al, 2008; Li X et al, 2007;Schenk PM et al, 2008; Sheehan J et al, 1998; Williams PJLeB, 2007.

ES UNA TECNOLOGÍA

CAPAZ DE DESPLAZAR

CONSIDERABLEMENTE AL DIESEL DE PETRÓLEO.

MicroalgasMicroalgasoleaginosasoleaginosas

MICROALGA % LÍPIDOS

Botryococcus braunii var. B 53.0 - 86.0

Nannochloropsis salina 40.8 – 72.2Nitschia sp. 45.0 – 47.0

Monallantus salina 20.0 – 72.2

Ochromonas dánica 39.0 – 71.0

ACUMULACIÓN LÍPIDOSCondiciones limitadas de

crecimiento

CRECIMIENTO FAVORABLE

Lípidos: ~ 10-30% dcw

Arredondo B et al, 1991; Gatenby et al, 2003; Metzger P et al, 2005;Richmond A, 1986; Schenk PM et al, 2008.

Perfil lipPerfil lipíídico deseabledico deseable

PERFIL LIPÍDICO• Triacilgliceroles

.• Fosfolípidos. • Glicolípidos. • Esteroles. • Hidrocarburos. • Ceras. • Pigmentos

Arredondo B et al, 1991; Richmond A, 1986; Schenk PM et al, 2008.

30-40%

COMPOSICIÓN IDEAL TAGsAGs: Cadena larga, poco ramificados, alto grado de

saturación.

LÍPIDOS ADECUADOS PARA PRODUCIR BIODIESEL

Schenk PM et al, 2008; Wijffels RH, 2007.

Sistemas abiertos: estanquesSistemas abiertos: estanquesASPECTOS GENERALES• Estanques tipo pista de carreras. • Sistemas de producción microalgal

a gran escala usados en la actualidad.

• Profundidad: 15 – 20 cm.• Producción estimada; 0.5 - 1 g/L.

~ 60-100 mg/L/d = 10-25 g/m2/d.

VENTAJAS DESVENTAJASSimplicidad. Evaporación.

‘Bajo’ costo. Contaminación (extremófilos).

‘Fácil’mantenimiento.

Baja productividad.

COSECHA DE BIOMASA

Factor determinante del costo.

Eriksen NT, 2008; Schenk PM et al, 2008; Wijffels RH, 2007.

Sistemas cerrados: Sistemas cerrados: fotobioreactoresfotobioreactores

ASPECTOS GENERALES• Ahorro: agua, energía, nutrientes.• Elevadas productividades y

eficiencia de cosecha. • Contaminación poco probable. • Flexibilidad en la especie a cultivar.• Costo elevado.

REACTORES PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES (< $)

FACTORES DETERMINANTES - $, EFICIENCIA Y DISEÑO

LUZ: Suministro, distribución y empleo• Obtener elevadas PE ~ 9%

(conseguidas a bajas intensidades luminosas).

• Evitar efectos de saturación de luz. • Optimizar dilución de luz (m2/m3).

MEZCLADO• Disminuir energía requerida.• Prevenir sedimentación. • Transferencia de gases

(CO2).• Otros

Carvahlo AP et al, 2006; Eriksen NT, 2008; Pulz O, 2007; Schenk PM et al, 2008; Wijffels RH, 2007.

SISTEMA DE PRODUCCIÓN PROPUESTO

¿En Zonas Áridas?Fotobio-reactoresCombinado con

Estanques

N. N. oleoabundansoleoabundans• Microalga edáfica eucarionte. • Localización: suelos áridos. • Origen: Arabia Saudita.

Chantanachat & Bold (1962).• Oleaginosa (1970).• Contenido lipídico: 30% - ??%. • Triglicéridos: principal componente de la fracción

lipídica. • Lípidos similares a los de origen vegetal.

Richmond A, 1986; Band CJ et al, 1992; Metzger P et al 1982.

¿ES UNA MICROALGA ADECUADA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL?

Aceites a Partir de Algas

• Algas + Luz Solar + CO2 + Minerales (Agua de Mar) Masa Celular (Proteínas + Carbohidratos) + lípidos (Bio‐Diesel)

Limitación de NutrientesLimitación de NitrógenoAcumulación de Lípidos

Garibay-Hernández, REMBIO 2008

La limitación de Nitrógeno atenúa la división celular, sin embargo favorece valores superiores de peso celular

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

[N] mM

Peso

cel

ular

(pg

/ cél

ula)

Peso celular de cultivos sometidos a distintos grados de limitación de Nitrógeno después de 9 d de cultivo.

La deficiencia de N2 promueve el incremento del contenido celular oleaginoso y de la fracción lipídica

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

1

2

3

4

5

6

[N] mM

Con

teni

do c

elul

arol

eagi

noso

(pg L

ípid

os /

célu

la)

Contenido celular oleaginoso de cultivos sometidos a distintos

grados de limitación de Nitrógenodespués de 9 d de cultivo.

•Nitrógeno•Fosfatos•pH•Temperatura•Tipo de Agua

Potencial

3215

8

Producción estimada de biodiesel considerando los parámetros lipídicos máximos derivados del presente estudio. Se considera un sistema de producción de estanque abierto de 1 ha de superficie y 20 cm de altura, 80% TAGs, 80% de eficiencia de trans-esterificación, producción durante el 90% del año y densidad del biodiesel de 0.864 kg/L:

24,000 L BIODIESEL/Ha/año0.4% Superficie del PaísAlimentando aire: ¿CO2?PRODUCCIÓN: Tons/ha/año

Volteamos la Tortilla

ConclusionesZonas Áridas: Algas

Aceites, otros productos2009: Pruebas de Campo

IBt- UNAMAdriana Hernández GaribayLeobardo Serrano CarreónRafael Vazquez D.

CICESE Baja CaliforniaEdo. Yucatán

CONACyT ProyectosSAGARPA 2004-C01-224Edo. Morelos 2004-C02-48PAPIIT – DGAPA - UNAM

IN220908

BioDiesel

Alfredo Martínez Jiménez

alfredo@ibt.unam.mxhttp://pbr322.ibt.unam.mx/~alfredo/