Viabilidad de producción de biodiesel a partir decultivos energéticos de microalgas

Proyecto TRES – TRansición hacia un modelo Energético Sostenible para Madeira, Azores y Canarias

Raimundo Arvelo ÁlvarezAdelina de la Jara Valido

Noviembre 2011

Clasificación de los biocombustibles

BIOCOMBUSTIBLES

PRIMARIOS

Leña

Serrín

Pellets

Residuos animales

Residuos forestales y de cultivos

Gas de vertedero

SECUNDARIOS

1ª GENERACIÓN

Sustrato: Semillas, cereales o azúcaresEtanol y butanol por fermentación del almidón (trigo, cebada, maíz, patata) o azúcares (caña de azúcar, remolacha)Biodiesel por transesterificación de aceite v egetales (colza, soja, girasol, palma, coco, jatropha), aceite de fritura y grasas animales

2ª GENERACIÓN

Sustrato: Biomasa lignocelulósica

Etanol y butanol por hidrólisis enzimáticaMetanol, gasolina y diesel Fischer-Tropsch, dimetiletery diesel verde por procesos termoquímicos

Biometano por digestión anaeróbica

3ª GENERACIÓN

Sustrato: Algas y microbios

Biodiesel y Etanol a partir de algas

Hidrogeno a partir de algas v erdes y microbios

Las microalgas constituyen un grupo vegetal muy heterogéneo. Uno de sus más antiguos representantes, el grupo de las cianobacterias, “inventó” una variante de la fotosíntesis que determinó la evolución de la biosfera terrestre.

Este proceso les permite fijar energía solar en sus esqueletos carbonados de una manera muy eficiente debido a su sencilla estructura celular.

¿Qué son las microalgas?

Microalgas como fuente energética

Los biocombustibles en los que se ha invertido más esfuerzo son el etanol procedente de caña de azúcar y del maíz y el biodiesel a partir de aceite de soja, canola, girasol, palma de aceite.

La competencia con las necesidades alimenticias de la población mundial es evidente y el conflicto social legítimo.

Huella ecológica -+Área total requerida para producir el alimento y absorber los desechos de la producción.

La huella ecológica disminuye cuando mejora la eficiencia energética (energía generada/energía requerida)

Microalgas como fuente energética

Ventajas frente a otros aceites vegetales

* No demandan terreno cultivable ni agua de elevada calidad

* Algunas especies biofiltran CO2 procedente de gases de combustión

* Rápido potencial de crecimiento

* Producción de biomoléculas de alto valor

Microalgas como fuente energética

Inconvenientes frente a otros aceites vegetales

* Energía y coste de los procesos previos

* Rotura de la pared celular

Mata: Martins y CaetanoUniversidad e Instituto Politécnico de Porto

Selección de cepas

Su elevada eficiencia energética les ha llevado a colonizar ambientes muy diversos con condiciones muy extremas de irradiación, temperatura y otros muchos factores tanto abióticos como bióticos.

ELEVADO ÍNDICE DEBIODIVERSIDAD

Género Proteina Carbohidratos Lipidos

Chlorella 51-58 12-17 14-22Dunaliella 57 32 6Spirulina 60-71 13-16 6-7

IMPORTANCIA DEL SCREENING

Selección de cepas Importancia del screening

Nannochloropsis

Chlorella

Selección de cepas

Sistemas abiertos vs sistemas cerrados

Medios de cultivo CO2

Producción de biomasa

Planta de cultivo Dpto. Biotecnología del ITC

1200 m2 de superficie de cultivo en tanques abiertos.Planta de procesadoLaboratorios físico-química, bioquímica, microscopía y molecular

Cosechado y procesado

Mata: Martins y CaetanoUniversidad e Instituto Politécnico de Porto

Factores de que depende la producción de Biodiesel a partir de microalgas:

- Contenido en lípidos de la microalga (%)

- Velocidad de crecimiento (kg de biomasa/h)

- Estructura de la pared celular

- Composición de los lípidos

Microalgas como materia prima

Contenido en aceite

Planta Contenido en aceite(% en peso)

Rendimiento(l aceite/ha.año)

Maíz (Zea mays L.) 44 172Cáñamo (Cannabis sativa L.) 33 363

Soja (Glycine max L.) 18 636Jatropha (Jatropha curcas L.) 28 741

Camelina (Camelina sativa L.) 42 915Cánola (Brassica napus L.) 41 974

Girasol (Helianthus annuus L.) 40 1.070Ricino (Ricinus communis) 48 1.307

Palma (Elaeis guineensis) 36 5.366Microalgas (contenido bajo) 30 58.700

Microalgas (contenido medio) 50 97.800Microalgas (contenido alto) 70 136.900

Cadena de valor de las microalgas

Cultivo

Medio

Subproductosy residuos

Cultivo

Recuperación

Conversión

Procesado

Reciclado de residuos y

recuperación energética

Selección

cepa

Biocombustible

Energía

EnergíaReactivos

PRODUCCIÓNENTRADAS SALIDAS

Selección cepaEnergía Luz Agua

Nutrientes CO2

Determinación del rendimiento en aceite

MÉTODO

MUESTRA

ULTRASONIDO

EXTRACCIÓN

FILTRACIÓN

DECANTACIÓN

SEPARACIÓN

Método 2Bligh E.G., Dyer W.J. A rapid method of total lipid extraction and purification. Canadia n Journal of Biochemistry and Phys iology 19 59; 37 ( 8): 911-917

Método 1Lee J.-Y., Yoo C., Jun S.-Y-, Ahn C.-Y., Oh H.-M. Comparison of s everal methods for

effective lipid extraction from microalgae. Bior. Tech. 201 0; 10 1: 575 -57 7

0,50 g de microalga (w0)20 ml de agua dest ilada

0,50 g de m icroalga (w0)100 ml de agua desti lada

Frecu encia: 35 HzTiempo: 5 m inutos

Frecuencia: 35 HzTiem po: 5 minutos

25 ml de CHCl3 : 50 ml CH3OH 2 m in.25 ml de CHCl3 30 seg.25 ml de H2O 30 seg.

50 m l de CHCl3 : 50 m l CH3OH 5 m in.

Fil tración a vacíoDisco de fibra de vidrio

F il tración a vacíoDisco de fibra de vidrio

Pesar balón vacío (w1 )Recoger la fase inferior en balónAnotar volumen recogido (Vrecogido)

Separación em pleando rotavaporEliminar CHCl3(58ºC, vacío)Pesar balón con aceite (w2)

Pesar balón vacío (w1)Recoger la fase inferior en balón

Anotar volum en recogido (Vrecogido)

Separación empleando rotavaporEliminar CHCl3(58ºC, vacío)Pesar balón con aceite (w2)

RENDIMIENTO (%) =(W2 – W1)

W0*

50

Vrecogido* 100

Resultados para el rendimiento en aceite

21,3

31,0

27,1

32,3

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

Nannochloropsis sp. Chlorella sp.

Rend

imie

nto

ace

ite

(% p

eso

seco

)

Especie

Rendimientos

Método 1

Método 2

Influencia del ultrasonido en la extracción

27,1 26,5

14,0

21,3 21,3

0 ,0

5 ,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0 2 4 6 8 10 12

Rend

imie

nto

ace

ite

(% p

eso

seco

)

Aplicación ultrasonido (min)

Nannochloropsis sp.

Mé todo 2

Mé todo 1

32,3 31,6

12,0

31,0 30 ,8

0 ,0

5 ,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0 2 4 6 8 10 12Re

ndim

ient

o a

ceite

(%

pes

o se

co)

Aplicación ultrasonido (min)

Chlorella sp.

Mé todo 2

Mé todo 1

17,113,8

0

5

10

15

20

25

30

35

Chlorella sp. Nannochloropsis sp. Scenedesmus sp.

1,062,73

1,49

11,23 12,00

8,63

18,40

31,01

24,78

32,30

27,10

Ren

dim

ient

o e

n pe

so d

el e

xtra

cto

sobr

e bi

omas

a se

ca (%

)Extracción con Soxhlet

n‐hexano

etanol

metanol

resultados anteriores

Perfil de ácidos grasos de Nannochloropsis sp.

Método 1 Método 2 Biomasa

Saturados (% peso) 50,40 51,22 54,42

Monoinsaturados (% peso) 47,28 44,06 42,15

Poliinsaturados (% peso) 2,32 4,72 3,43

Grado insaturación (DU) 51,92 53,50 49,01

NANNOCHLOROPSIS SP. (% peso sobre el total de AG)

Ácido Graso (AG) Método1 Método2 Biomasa

Mirístico C14:0 34,40 33,63 27,53

C14:1 2,96 2,31 1,84

Palmítico C16:0 11,82 15,73 17,94

Palmitoleico C16:1 39,42 38,02 32,89

Oleico C18:1n9c 2,00 1,79 5,84

Perfil de ácidos grasos de Chlorella sp.

Método 1 Método 2 BiomasaSaturados (% peso) 25,73 28,80 27,58

Monoinsaturados (% peso) 24,75 22,59 23,80

Poliinsaturados (% peso) 49,51 48,61 48,61

Grado insaturación (DU) 123,78 119,80 121,03

CHLORELLA SP. (% en peso sobre el total de AG)

Ácido Graso (AG) Método1 Método2 Biomasa

Palmítico C16:0 23,55 26,82 25,40

Palmitoleico C16:1 2,04 1,64 1,96

C16:2 4,85 4,99 4,30

C17:1 13,59 12,97 12,20

C16:4 2,53 1,87 2,79

Elaídico C18:1n9t 8,30 7,66 8,97

Linoleico C18:2n6c 18,96 18,89 19,19

Linolénico C18:3n3 22,01 22,27 22,01

5.- Métodos y resultados experimentales

Biodiesel

Algunas propiedades del biodiesel relacionadas con las del aceite de partida

Número de cetano

Índice de iodo

Estabilidad

Viscosidad

Transesterificación directa

Especies de microalga:

Chlorella sp.

Nannochloropsis sp.

Scenedesmus

Condiciones de las reacciones:

100% Catalizador en base al peso en aceite

500 rpm (agitación contínua)

Temperatura = 60ºC

Relaciones molares metanol:aceite = 315:1 y 524:1

Tiempo = se ha ido variando entre 15 minutos y 8 horas

Cantidad de microalga utilizada= 22,5 g

ESPECIES CONDICIONES ÓPTIMAS

RESULTADOS

RENDIMIENTO (g biod./g.biomasa

seca*100)

NÚMERO DE ACIDEZ

(mg KOH/g muestra)

DENSIDAD (g/ml) % FAMES (Analizado por RMN)

CHORELLA SP.500 rpm

8,53 3,26 0,8689 90,69100% concentración catalizador (H2SO4)

NANNOCHLOROPSIS SP.

Alcohol: metanol 1,13 3,37 0,8637 92,23Tiempo: 4 horas

SCENEDESMUS SP.Relación molar metanol:aceite 325:1 4,92 3,32 0,8646 91,15Temperatura: 60ºC

Transesterificación directa

Acciones complementarias que mejorarían el rendimiento global del proceso:

-Aprovechamiento de la biomasa residual

- Obtención de energía por fermentación de la biomasa residual

- Obtención de los lípidos a partir de un biorefino

MICROALGA S

PROTEINAS

OTROS PRODUCTOS VALIOSOS

LÍPIDOS BIOFUEL

Caso particular biorefinería

Fracción hidrófilaFracción lipófila

Actividad antiinflamatoria Elevados contenidos en carbohidratos

Microalgas como fuente energética

Conclusiones:

- Por su alta producción de lípidos tienen un alto potencial para

producción de biodiesel

- Aspectos a mejorar:

+ Disminución de costes económicos y energéticos

+ Mejor aprovechamiento integral de las microalgas

Muito obrigadopela sua atençao

Raimundo Arvelo ÁlvarezDepartamento de Ingeniería Química y TFFacultad de Química

: +34 922 318056: rfarvelo@ull.es

Raimundo Arvelo ÁlvarezDepartamento de Ingeniería Química y TFFacultad de Química

: +34 922 318056: rfarvelo@ull.es

Adelina de la Jara ValidoDepartamento de BiotecnologíaDivisión de Investigación y Desarrollo Tecnológico

: +34 928 727 544:adelajara@itccanar ias.org

Adelina de la Jara ValidoDepartamento de BiotecnologíaDivisión de Investigación y Desarrollo Tecnológico

: +34 928 727 544:adelajara@itccanar ias.org