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: [email protected]
Raimundo Arvelo ÁlvarezDepartamento de Ingeniería Química y TFFacultad de Química
: +34 922 318056: [email protected]
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
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