PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS:

Transcripción

1 PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS: Responsable: Dra. Eugenia J. Olguín PROYECTO MULTI-INSTITUCIONAL

2 CONTENIDO: I- Aspectos generales del Biodiesel II- Ventajas de microalgas como fuente de lípidos III-Principales retos: a) Selección de la especie adecuada b) Tipo de reactores c) Estrés fisiológico como inductor de lípidos d) Máxima productividad con alta concentración de lípidos e) Recuperación de biomasa a bajo costo f) Extracción de lípidos a bajo costo IV- Perspectivas

3 EMISIONES Gases Efecto Invernadero CAMBIO CLIMÁTICO DISMINUCIÓN DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES SEGURIDAD ENERGÉTICA BIOCOMBUSTIBLES

4 Emisiones mundiales anuales de GEI antropogénicos entre 1970 y 2004 (IPCC, 2007)

5 EL BIODIESEL ES UN BIOENERGÉTICO QUE DEBE SUSTITUIR A LOS COMBUSTIBLES FÓSILES

6 CÓMO UTILIZAR EL BIODIESEL? Se utiliza en sustitución del diesel de petróleo No se requieren modificaciones al motor convencional en bajas concentraciones. Puede usarse solo ( B100) o mezclado con diesel de petróleo (mezclas B2, B5 y B20)

7 MATERIA PRIMA (aceites vegetales) Pistache mexicano (Jatropha curcas ) Palma africana (Elaeis guinnensis) Cacahuate (Arachis hypogaea) Girasol (Helianthus annus) Aguacate (Persea americana) Coco (Cocos nucifera) Canola o colza (Brassica napus): Lino (Linum usitatissimum) Soya (Glicyne max)

8 QUE ES EL BIODIESEL? Es una mezcla de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de recursos renovables tales como aceites vegetales o grasas animales (ASTM, ) También se puede derivar de ácidos grasos de microorganismos tales como las microalgas y levaduras (Loera-Quezada y Olguín, 2010)

9 Diagrama de flujo de los procesos para producción de biodiesel. Loera-Quezada,M. y Olguín E.J Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116

10 Reacción de Transesterificación: Triglicérido (Lípido) Metanol (Alcohol) Glicerol Metil-ésteres (Biodiesel) Los triglicéridos (lípidos) reaccionan con metanol para producir glicerol y un conjunto de metilésteres, conocido como Biodiesel. Esta mezcla tiene menor viscosidad, menor masa molecular, menor intervalo de ebullición y menor punto de inflamación, que el triglicérido original (Canakci y Sanli, 2008) Chisti, Y (2007) Biodiesel from microalgae Biotechnology Advances

11 VENTAJAS AMBIENTALES Es un combustible 100% biodegradable, renovable y no contaminante No contiene azufre no lluvias ácidas Es un combustible oxigenado (11%), por lo que se reducen los GEI Probado satisfactoriamente por más de 20 años en Europa Combustible alternativo aprobado por la EPA

12 CÓMO PODEMOS APLICAR LA BIOTECNOLOGÍA ALGAL A LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES?

13 BIOGAS Compuesto (%) Metano Dióxido de Carbono Nitrógeno 0-10 Sulfuro de Hidrógeno 0-3 Hidrógeno 0-1 Poder Calorífico del BIOGÁS: MJ/m 3 Metano 100%: 37 MJ/m 3

14 BIOHIDRÓGENO Se puede producir por dos vías: EN FOTO- FERMENTADORES VÍA FERMENTACIÓN OSCURA Poder Calorífico del H 2 : 94.5 MJ/m 3 Bacterias fotosintéticas (como Rhodopseudomonas ) y/o Microalgas producen Hidrógeno en foto-fermentadores. Bacterias (como Clostridium) degradan acetato y lactato para producir Hidrógeno en ausencia de luz. (DePhillipis etal, 2011)

15 BIODIESEL Biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, mediante procesos de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del diesel obtenido del petróleo. Poder Calorífico del Diesel de Petróleo: 43.1 MJ/kg Poder Calorífico del Biodiesel: MJ/kg

16 II- Ventajas de microalgas como fuente de lípidos para producción de biodiesel

17 Principales ventajas: Algunas microalgas pueden doblar su producción de biomasa en 24 horas, si las condiciones de radiación solar, temperatura, salinidad y nutrientes es la adecuada. Botryococcus braunii Nannochloropsis sp. Neochloris oleoabundans Chlorella sp. Cylindrotheca sp. Pleurochrysis carterae

18 Productividad de aceite de las microalgas en comparación con los cultivos convencionales Productividad de aceite (L/Ha) Microalgas (2) Microalgas (1) Palma de aceite Coco Jatrofa Canola Cacahuate Girasol Grasa amarilla Mostaza Soya Algodón Maíz 5,950 2,689 1,892 1, , , (1) 30% de aceite en biomasa (con base a peso seco); (2) 70% de aceite en biomasa (con base a peso seco)

19 EL RENDIMIENTO DE ACEITE DE LAS MICROALGAS, ES MUCHO MAYOR QUE EL DE LAS PLANTAS (Chisti, 2007) Cultivos Rendimiento de aceite (L/ha) Superficie de terreno necesario (M ha) a % de existencia de cultivos en EE.UU. Área a Maíz 172 1, Soja Canola 1, Jatrofa 1, Coco 2, Aceite de palma 5, Microalgas b 136, Microalgas c 58,

20 Principales ventajas: A diferencia de la producción de etanol combustible, esta alternativa bioenergética NO compite por tierras de interés agrícola. Pueden ser cultivadas en agua salobre, agua de mar y en aguas residuales

21 Principales ventajas: Coadyuva de manera importante en la captura de CO2, ya que las microalgas son mucho más eficientes que la biomasa de los árboles. Por cada 100 ton de microalgas producidas, se consumen 183 ton de CO2. (Chisti, 2007)

22 Principales ventajas: En México, se ha estimado que sólo se requiere el 1% de la superficie total del país, para cubrir el 100% de la demanda actual de diesel de petróleo. (Garibay et al., 2009) Con biodiesel proveniente de microalgas cultivadas en lagunas abiertas, sólo se requieren 20,000 has para producir 1 cuatrillón de BTU. En contraste, se requerirían de 20 millones de has si se emplearan cultivos de frijol de soya, o 40 millones de has de cultivos de maíz. (Sheehan et al., 1998)

23 Principales ventajas: Es de los pocos procesos bioenergéticos con un valor negativo de emisión de gases de efecto invernadero. No se produce CO 2 durante el ciclo de vida de producción; al contrario, se ha estimado un valor de -183 kgco 2 /MJ (Chisty, 2007)

24 LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN A GRAN ESCALA DE BIOETANOL Y BIODIESEL DE PLANTAS Superficie Agrícola Requerida Agua para Riego Requerida Balance energético Desfavorable Competencia con producción de alimentos

25 EN INDIA, SE PROMOVIÓ LA PLANTACIÓN DE JATROPHA DESDE EN CHINA, SE PLANEÓ SEMBRAR 1 MILLÓN DE HAS DE TIERRA MARGINAL PARA SATISFACER EL 15% DE DEMANDA DE BIOENERGÍA PARA EL 2020.

26 EN 2008 A NIVEL MUNDIAL: 900,000 ha 85 % EN ASIA 13 % EN AFRICA 2% EN LATINOAMÉRICA SE HA DESCONTINUADO LA SIEMBRA EN EL 85% DE LAS TIERRAS SEMBRADAS.

27 PORQUÉ FALLARON LAS EXPECTATIVAS? RENDIMIENTOS DE SEMILLAS POR DEBAJO DE LO ESPERADO ATAQUE POR TERMITAS SENSIBLE A SEQUÍAS RENDIMIENTOS TARDÍOS EN TANZANIA, SE PERDIERON LOS BENEFICIOS ESPERADOS DE $ 65 DÓLARES/ha Y SÓLO SE OBTUVIERON $ 9 USD/ha

28 AeroMéxico realizó el primer vuelo comercial con biocombustible Agosto 13, La compañía Aeroméxico realizó el primer vuelo comercial transatlántico del mundo con el uso de biocombustible, extraído de la planta oleaginosa jatropha. El Boeing ER partió del Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México con 250 pasajeros a bordo rumbo a Madrid. El secretario de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Juan Rafael Elvira Quesada, dijo que en México se mantienen abiertas todas las líneas de investigación de proyectos creadores de biocombustibles. En un comunicado, indicó que México busca a mediano plazo contar con un 25 por ciento de generación de energía a base de combustibles limpios y para el año 2025 este porcentaje alcance un 35 por ciento. En la actualidad, la utilización de biocombustibles no es rentable económicamente por su alto costo de producción. La industria de la aviación calcula que para tener un mercado viable de biocombustible es necesario cubrir al menos el 1 por ciento de la demanda en 2015.

29 III-Principales retos: a) Selección de la especie adecuada b) Estrés fisiológico como inductor de lípidos c)máxima productividad con alta concentración de lípidos d) Tipo de reactores e) Recuperación a bajo costo f) Extracción a bajo costo

30 GRAN DIVERSIDAD DE MICROALGAS OLEAGINOSAS: marinas, de agua dulce, de agua salobre adaptadas a crecer en aguas residuales

31

32 Microalgas Contenido de lípidos (% peso seco) Botryococcus braunii Chlorella sp Crypthecodinium cohnii Cylindrotheca sp. (diatom) Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp Monallanthus salina >20 Nannochloris sp Nannochloropsis sp Neochloris oleoabundans Nitzschia sp. (diatom) Phaeodactylum tricornutum Schizochytrium sp Tetraselmis sueica Contenido de lípidos de algunas microalgas

33 Contenido de aceite de algunas especies de microalgas a Cultivo bajo supresión de nitrógeno; b Cultivo bajo deficiencia de nitrógeno; c Cultivo con suficiencia de nutrientes; d cultivo heterotrófico; e Ausencia de nutrientes. m = marina y d = dulceacuícola; NR = no reportado Especie Contenido de aceite (% del peso seco) Productividad de lípidos (mg L -1 d -1 ) Referencia Parietochoris incisa (d) 60 a NR Solovchenko et al. (2008) Nannochloropsis sp. (m) 60 a 204 Rodolfi et al. (2009) Neochloris oleoabundans (d) 56 a Gouveia et al. (2009) Chlorella vulgaris (d) ~ 42 a Widjaja et al. (2009) Crypthecodinium cohnii (m) a 82 Mendoza et al. (2008) Scenedesmus obliquus (d) 43 b NR Mandal y Mallick (2009) Neochloris oleoabundans (d) 38 c 133 Li et al. (2008c) Nannochloropsis sp. (m) 28.7 c 90 Gouveia y Oliveira (2009) Chlorella vulgaris (d) 27 c Francisco et al (2010) Nanochloropsis oculata (m) 30.7 c 151 Chiu et al. (2009) Dunaliella (m) 67 c 33.5 Takagi et al. (2006) Choricystis minor (d) 21.3 c 82 Mazzuca-Sobczuk y Chisti (2010) Chlorella protothecoides (d) 50.3 d NR Xiong et al. (2008) Chlorella vulgaris (d) 21 d 54 Liang et al (2009) Scenedesmus rubescens (m) 73 e NR Matsunaga et al (2009)

34 III-Principales retos: a) Selección de la especie adecuada b) Estrés fisiológico como inductor de lípidos c)máxima productividad con alta concentración de lípidos d) Tipo de reactores e) Recuperación a bajo costo f) Extracción a bajo costo

35 Operaciones Unitarias del proceso: Producción de Biomasa en FBRs e inducción de lípidos en LOATs Centrifugación ó Bioflocula ción Lisis de células RESIDUOS CELULARES CO-PRODUCTOS Conversión a Biodiesel (Transesterificación)

36 FACTORES QUE AFECTAN LA PRODUCTIVIDAD DE LÍPIDOS Estímulos ambientales (físicos) Temperatura Intensidad luminosa Estímulos químicos Deficiencia de nutrientes (N, P, S, Si) Salinidad ph del medio de cultivo Neochloris oleoabundans 29% de lípidos ~50% (Gouveia y Oliveira, 2009) Condiciones favorables: 5-20% Condiciones de estrés: más del 40% Otros factores Fase de crecimiento Edad del cultivo

37 Chlorella protothecoides (Hawai i Natural Energy Institute)

38 (A) Crecimiento de Chlorella protothecoides en condiciones autotróficas (cultivos verdes) y heterotróficas (cultivos amarillos) (B) No se observaron vesículas de lípidos en cultivos verdes (C) Los cultivos amarillos contenían alta concentración de vesículas de lípidos

39 EFECTO DE LA FASE DE CRECIMIENTO Parietochloris incisa 43% del total de ácidos grasos en la fase exponencial, el cual aumentó hasta 77% en la fase estacionaria (Bigogno et al., 2002)

40 III-Principales retos: a) Selección de la especie adecuada b) Estrés fisiológico como inductor de lípidos c)máxima productividad con alta concentración de lípidos d) Tipo de reactores e) Recuperación y Extracción a bajo costo f) Máxima productividad al mínimo costo

41 Algaelink Photo Bio-Reactor

42 Varicon Aqua Photo Bio-Reactor

43 Tipos de reactores para el cultivo masivo de microalgas. a) FBR tubular ( b) FBR tubular ( c) Vertical Algae Technology (VAT) ( d) FBR tipo placa ( y e) Lagunas abiertas (LA) también conocidas como raceways (

44 Ventajas y desventajas de las lagunas abiertas y los fotobiorreactores para producción de biomasa algal (Ma, 2009). TIPO DE REACTOR Lagunas Abiertas Fotobiorreactores VENTAJAS Sencillos y baratos de construir Fáciles de operar y mantener Alta productividad Menor contaminación, menor uso de agua y menor pérdida de CO 2 Mejor utilización de la luz y mejor mezclado Control en las condiciones de cultivo DESVENTAJAS Utilización deficiente de la luz Luz y temperatura difíciles de controlar Contaminación y evaporación Costosos y complejos Difícil control de la temperatura Daño celular por turbulencia Deterioro de materiales Deterioro de equipo por corrosión biológica Acumulación de oxígeno

45 REACTORES ABIERTOS PLANOS TUBULARES Volumen (m 3) Gas holdup Coeficiente de transferencia de masa (1/s) CONSUMO DE ENERGÍA (W/m 3 ) PRODUCTIVIDAD (g/l/día) COSTO ( /m 3 ) Molina Grima y Acién, 2009,

46

47

48

49

50 III-Principales retos: a) Selección de la especie adecuada b) Tipo de reactores c) Estrés fisiológico como inductor de lípidos d) Máxima productividad con alta concentración de lípidos e) Recuperación de biomasa a bajo costo f) Extracción de lípidos a bajo costo

51 COSECHA DE BIOMASA CELULAR Y EXTRACCIÓN DE LÍPIDOS Los principales problemas son: a)tamaño de las microalgas (3-30 mm) b)baja densidad celular de los cultivos (especialmente en las lagunas abiertas) c)el costo de la cosecha, puede representar del 20 al 40% del costo total de producción. (Molina Grima et al., 2003)

52 COSECHA DE BIOMASA CELULAR Y EXTRACCIÓN DE LÍPIDOS Los métodos más comunes de cosecha de la biomasa algal incluyen : a)centrifugación (especialmente en el caso de las microalgas unicelulares) b)filtración cuando se han formado flóculos o se trata de microalgas o cianobacterias relativamente grandes o filamentosas c)en algunos casos, sedimentación por gravedad, flotación o técnicas de electroforesis.

53

54

55

56 Cultivo de Nannochloropsis sp. en lagunas abiertas (LA) para la producción de biodiesel en Israel (Seambiotic Ltd.). a) Nannochloropsis sp., b) cultivo en laboratorio, c) cultivo en LOATs, d) co-bio-floculación, e) cosecha de biomasa, f) Nannochloropsis sp. seca y g) biodiesel. (Ben-Amotz, 2009)

57 FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS * Está en función del Precio del Petróleo * Dentro de este escenario, la viabilidad del Biodiesel a partir de micoalgas es más factible.

58 FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS Los requisitos esenciales para que el proceso sea competitivo: a) El costo de Producción de la biomasa debe ser menor a $1 USD/Kg b) A partir de la biomasa residual, se deben producir simultáneamente productos de alto valor agregado. (Milledge, 2010)

59 Qué estrategias seguir para lograr generar Biodiesel de microalgas a un costo competitivo?

60 Uso de Aguas Residuales Estrategia de BIOREFINERÍA Mejorar eficiencia de reactores (cerrados y abiertos) DIVERSAS ESTRATEGIAS PARA HACER RENTABLE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE 3ª GENERACIÓN Integrar cultivo de microalgas con tratamiento de aguas residuales domésticas y de granjas acuícolas Manipular genéticamente el metabolismo de lípidos

61 BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS: USO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS

62 VENTAJAS USO DE AGUAS RESIDUALES PARA CULTIVO DE MICROALGAS OLEAGINOSAS 1) Disponible, especialmente en países en desarrollo. 2) Proporciona N, P, y micronutrientes. 3) No se compite por agua para riego agrícola.

63 USO DE AGUAS RESIDUALES PARA CULTIVO DE MICROALGAS OLEAGINOSAS DESVENTAJAS 1) Surgen otras microalgas contaminantes. 2) Pueden faltar nutrientes. 3) Se debe abastecer fuente de CO 2.

64 QUÉ ES UNA BIOREFINERÍA? BIODIESEL BIOETANOL BIOGÁS BIOMASA (Vegetal y/o Microbiana) HIDRÓGENO Productos Químicos de ALTO VALOR AGREGADO (Agencia Internacional de Energía, 2008)

65 Producir varios Biocombustibles simultáneamente Generar co-productos ESTRATEGIA DE BIOREFINERÍA Realizar Análisis de Ciclo de Vida (ACV) Realizar trabajo multidisciplinario y multiinstitucional Promover la Factibilidad Económica

66 Biorefinería para la producción de Biogas, Biodiesel e Hidrógeno a partir de microalgas y aguas residuales domésticas Proyecto Multi-disciplinario y Multi-institucional, APROBADO 2011

67 INSTITUCIONES NACIONALES PARTICIPANTES 1. Instituto de Ecología, A.C. 2. Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste 3. Universidad Autónoma Metropolitana 4. Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. 5. Universidad Autónoma de Nuevo León

68 INSTITUCIONES EXTRANJERAS PARTICIPANTES 6. Universidad de Almería, España 7. Universidad de Florencia, Italia

69 ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PROPUESTA INECOL: UTILIZAR AGUA DE RÍOS URBANOS CONTAMINADOS

70 RESULTADOS DE LOS MONITOREOS Valores del Índice de Calidad del Agua (ICA) de las ocho estaciones monitoreadas en la subcuenca del río Sordo. Estación Río/ arroyo Época seca Época lluviosa ICA Clasificación ICA Clasificación 1 Papas AC C 2 Papas C C 3 Papas C C 4 Carneros C C 5 Carneros C C 6 Sordo MC MC 7 Sordo MC MC 8 Sordo C MC AC= Altamente Contaminada C= Contaminada MC= Medianamente Contaminada

71 Río Sordo Sedimentador Primario PRE-TRATAMIENTO BIOFLOCULACIÓN Producción en Lagunas de Biomasa rica en lípidos

72 ETAPAS EN EL PROCESO DEL CULTIVO DE CONSORCIOS DE MICROALGAS-BACTERIAS EN AGUAS RESIDUALES SELECCIÓN DE ESPECIES APROPIADAS CARACTERIZACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES ACLIMATACIÓN DE LAS ESPECIES A LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES PRE-TRATAMIENTO INMOVILIZACIÓN O FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS CULTIVO DE CONSORCIOS MICROALGAS-BACTERIAS EN LAGUNAS DE OXIDACIÓN ALTA TASA CONDICIONES ÓPTIMAS ph Temperatura Densidad celular Altura de columna de agua Velocidad e agitación Carga de Nutrientes Tiempo de Ret. Hidráulica Carga de CO 2

73 EXPERIENCIA DE PRODUCCIÓN A GRAN ESCALA DE SPIRULINA EN LAGUNAS ABIERTAS DENTRO DE SISTEMAS INTEGRALES

74 WHY Neochloris oleoabundans?

75

76 Cultivo en Reactores tipo placa plana. Neochloris oleoabundans

77 Operaciones Unitarias del proceso: Producción de Biomasa en FBRs e inducción de lípidos en LOATs Centrifugación ó Bioflocula ción Lisis de células RESIDUOS CELULARES CO-PRODUCTOS Conversión a Biodiesel (Transesterificación)

78 IV- Comentarios finales Respuestas creativas para lograr: 1)Mayor productividad de biomasa y lípidos 1)Reactores con menor costo de inversión y operación 1)Biofloculación o auto-floculación 1)Optimizar métodos de extracción de lípidos y de transesterificación enzimática 1)Co-productos de alto valor agregado

79 IV- Perspectivas 1)Se tiene que lograr máxima productividad de biomasa y lípidos al mínimo costo para que el proceso sea rentable y competitivo 2) Se debe invertir mucho en I & D para resolver grandes retos a MEDIANO Y LARGO PLAZO 3) Se deben formar equipos multidisciplinarios y multi-institucionales

80 SE REQUIERE MUCHO APOYO FINANCIERO El Carbon Trust decidió invertir entre millones de libras para I&D de biodiesel de microalgas con la visión de comercializar su uso en el 2020.

81 COMPAÑÍA PAÍS PLANTA DE PRODUCCIÓN OBSERVACIONES Enhanced Biofuels & Technologies GreenFuel Technologies Reino Unido Reino Unido India, Principalmente a partir de ACEITES VEGETALES India, Principalmente para la producción de BIOETANOL GreenShift Estados Unidos A nivel PILOTO, en la Univ. de Ohio Solazyme Estados Unidos INDUSTRIAL, a gran escala, en California LiveFuels Estados Unidos Planta Piloto en California Combina la producción de inóculo de MICROALGAS en Biorreactores y lagunas (a pequeña escala) para producir BIODIESEL No ha escalado la producción de BIODIESEL a partir de Microalgas Producción piloto de BIODIESEL a partir de algas verde-azules Producción de BIODIESEL combinada de plantas y microalgas oleaginosas. Producción sustentable de Biodiesel a partir de microalgas AquaFlowGroup Nueva Zelanda SolixBiofuels Estados Unidos Algoil Estados Unidos Aurora BioFuels Estados Unidos Planta industrial de tratamiento de Aguas Municipales con producción de Macroalgas a gran escala (60 ha) Planta industrial (mediana escala) en Colorado Planta industrial (gran escala) en Florida Producción de bienes de alto valor agregado a partir de microalgas. Plantas industriales en California, Florida, México y Australia Planta Piloto de Producción de Bio-combustibles a partir de ALGAS (Biodiesel, Bioturbosina, Bioetanol, etc.) Producción de BIODIESEL a partir de MICROALGAS en el Mayor Sistema de FOTOBIORREACTORES Cultivos en Lagunas para la producción de alimentos, aditivos, fertilizantes, pigmentos y combustibles Producción de biocombustiles (biodiesel y bioetanol) a partir de microalgas cultivadas en lagunas de alta tasa. Wagner, 2007

82