Mario R. Alvear Alayón Estudiante Investigador, Programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena

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1 OBTENCIÓN Y COMPARACIÓN DE LOS ACEITES OBTENIDOS DE LAS MICROALGAS Dunaliella salina Y Chlorella nativa COMO MATERIA PRIMA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Mario R. Alvear Alayón Estudiante Investigador, Programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena Carlos Castillo 1, Daniela Henao 2, Lesly Tejeda 3 Resumen El presente trabajo tuvo como objetivo comparar la calidad y cantidad de aceite extraído de dos especies de microalgas, la halófila (Dunaliella salina) y una especie de agua dulce del género Chlorella, aislada en la Bahía de Cartagena (Colombia), con el fin de evaluar su posible integración en la producción de biodiesel. Para el cultivo de ambas especies se utilizó la misma metodología manteniendo condiciones óptimas para cada especie de ph, concentración de nitrógeno, intensidad lumínica y temperatura. La extracción del aceite se llevó a cabo por el método Bligh y Dyer, además la calidad del aceite se evaluó de acuerdo a la norma técnica colombiana. A manera de resultados, se encontró que con la Dunaliella se obtuvo una mayor producción de biomasa por día, sin embargo la cantidad de aceite encontrado en la Chlorella fue mayor. El aceite obtenido a partir de las dos especies presentó una calidad adecuada para la producción de biodiesel. Palabras claves Aceite, biodiesel, cultivo, microalgas. INTRODUCCIÓN Los biocombustibles hoy día son una de las principales alternativas que la humanidad ha encontrado para mitigar y combatir los daños causados por el uso excesivo de los combustibles fósiles, los cuales han venido generando una mayor contaminación al emplearse en actividades como las del sector transporte, comercial e industrial. En conjunto, estas actividades son fuentes en constante emanación de gases de efecto invernadero, y por ello contribuyen a los problemas del smog fotoquímico, del 1 Estudiante 9 semestre de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, 2 Estudiante 9 semestre de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, 3 Docente investigadora Programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, 1

2 calentamiento global y a las lluvias ácidas presentes en las diferentes metrópolis del mundo. La materia prima por excelencia para la producción de biocombustibles es la biomasa, la cual posee en estos momentos una gran popularidad gracias a su renovabilidad, además de generar favorables impactos económicos, sociales y ambientales en los sectores industrial y doméstico, principalmente. Entre los biocombustibles derivados de la biomasa más comunes se encuentra el bioetanol y el biodiesel, siendo este último el de mayor campo investigativo y aplicativo. Uno de los problemas que presenta el biodiesel es respecto a sus fuentes de materias primas, puesto que son productos agrícolas con un mercado muy activo y su cultivo ha empezado a generar un alarmante aumento en la deforestación de los bosques nativos, expansión indiscriminada de la frontera agrícola, desplazamiento de cultivos alimentarios y ganadería, al igual que la destrucción de los ecosistemas y la biodiversidad adyacente al sector de siembra y producción, sin contar con el desplazamiento de los trabajadores rurales; es por esto se han atribuido a la producción y uso de los biocombustibles consecuencias tales como escasez alimentaria y generación de pobreza. [1] La Tabla 1 muestra una comparación de las producciones de aceite de algunas fuentes convencionales, el área requerida para su cultivo y el porcentaje del área cultivable de los Estados Unidos necesaria para abastecer la mitad de las necesidades de combustible para transporte. Usando la soja como materia prima para la producción de biodiesel, se requiere el 326 % del área cultivable de EE. UU. para cubrir el 50 % de las necesidades de combustible para transporte en EE. UU., en cambio las microalgas requieren hasta el 3 % del área de cultivo para cubrir la misma necesidad. [2] Las producciones de aceite de microalga en la Tabla 1 están basadas en la productividad de biomasa demostrada experimentalmente en foto-bioreactores. 2

3 TABLA 1. Comparación de algunas fuentes de Biodiesel Cultivo Rendimiento de Aceite (Litros/hectárea) Área de cultivo requerida (Mha) a Porcentaje del área cultivable en EE. UU. Maíz Soya Canola Jatropha Coco Aceite de palma b Microalga 136,900 c Microalga 58,700 a Para abastecer el 50% de las necesidades de combustible para transporte. b 70% (en peso) de aceite en biomasa c 30% (en peso) de aceite en biomasa a A fin de presentar una alternativa a la problemática generada por el cultivo y uso de aceites vegetales comestibles, se plantea la producción de biodiesel a partir de materias primas no convencionales, como es el caso de las microalgas, las cuales presentan la ventaja de producir el mayor porcentaje de aceite en un menor terreno de cultivo, además de absorber de CO 2 durante su crecimiento y no presentar un impacto negativo en el sector alimenticio. [3] Es por esto el objetivo planteado en el trabajo fue comparar la calidad y cantidad de aceite extraído de dos especies de microalgas, la halófila (Dunaliella salina) y una especie de agua dulce del género Chlorella, aislada en la Bahía de Cartagena (Colombia), con el fin de evaluar su posible integración en la producción de biodiesel. METODOLOGÍA Durante el trabajo de experimentación se utilizaron las cepas de Chlorella nativa aislada en el Centro Internacional Náutico Fluvial y Portuario del SENA (Bolívar) y la cepa de Dunaliella salina, que se obtuvo del laboratorio de biotecnología de la Universidad de Antioquia. Ambas cepas actualmente se mantienen activas en el Centro Internacional Náutico Fluvial y Portuario del SENA. 3

4 Todos los ensayos se llevaron a cabo en un cuarto acondicionado a una temperatura promedio de 26± 2 C, con una intensidad lumínica de 3000 lux generada por lámparas de luz (Blanca) día y un foto periodo de mantenimiento de las cepas de 24 horas Luz. Se usaron lámparas de tubo fluorescente (Semejante en calidad a la luz del sol), las cuales proporcionan menos calor y promueven máximas tasas de crecimiento y división. [4] La Dunaliella salina fue cultivada en agua de mar, la cual fue colectada en las playas de barú y pasada por un filtro de 0.5 µm de poro, y, envejecida por tres semanas. El medio de cultivo sintético utilizado fue el Medio Johnson (J/1) modificado, elaborado con agua destilada más la adición de sales macro y micronutrientes de grado analítico. El cultivo se mantuvo con un ph de 7.5, salinidad del 35% y se agitó constantemente por medio de aireación. La Chlorella nativa fue cultivada en agua destilada, con adición del medio enriquecido de Walne (Conwy), agitación constante (Aireación) y ph 7.5. Al alcanzar la máxima densidad celular, las microalgas fueron colectadas por medio de un proceso de centrifugación a 3000 RPM por 15 minutos, lavadas dos veces con agua desionizada. La masa de células fue colocada en un plato de aluminio y calentada en horno a 105 C hasta su secado completo. La biomasa microalgal obtenida se guardo en bolsas herméticas (Ziploc) para evitar la humedad, y se guardaron en el refrigerador. Los aceites totales fueron extraídos de la biomasa microalgal empleando el método modificado de Bligh y Dyer. Luego de pasar por la centrifuga a temperatura ambiente por un tiempo de 10 minutos y 1000 RPM, se dividió el sistema en dos fases (acuosa en la cima y orgánica en el fondo), la fase orgánica fue extraída por medio de una pipeta Pasteur, para un posterior lavado con NaCl al 5%, y una evaporación hasta secar. La cantidad de aceites totales fue medida gravimétricamente. Los aceites extraídos fueron caracterizados mediante los siguientes análisis: NTC 336. Grasas y Aceites Vegetales y Animales. Método de la Determinación de la Densidad Masa por Volumen Convencional. NTC 218.Grasas y Aceites Vegetales y Animales. Determinación del Índice de Acidez. NTC Grasas y Aceites Vegetales y Animales. Determinación del Punto de Humo 4

5 NTC 289. Grasas y Aceites Vegetales y Animales. Determinación del Índice de Refracción. NTC 236. Grasas y Aceites Vegetales y Animales. Determinación del Índice de Peróxido. NTC 283. Grasas y Aceites Vegetales y Animales. Determinación del Índice de Yodo. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS FIGURA 1. Concentración de biomasa de los cultivos por días En la Figura 1 se muestran las curvas de crecimiento de los cultivos de las microalgas. Se observa claramente una mayor densidad celular en el cultivo de Dunaliella Salina, y un pico máximo superior a 26 millones de células por mililitro. La Chorella Nativa alcanza un valor máximo superior a 20 millones de células, un poco más bajo que la Dunaliella Salina, pero igualmente un valor positivo según la literatura. Se corrobora entonces el elevado crecimiento que tienen estas dos especies de microalgas, y su factibilidad para un cultivo a grande escala. 5

6 FIGURA 2. Gramos de microalga por litro de cultivo En la Figura 2 se observa la producción de biomasa (en g) de cada cultivo (en L) de microalgas, lo cual es acorde a la Figura 1, mostrándose una mayor productividad de biomasa microalgal en los cultivos de Dunaliella Salina en comparación al de Chorella Nativa. FIGURA 3. Mililitro de aceite por gramo de microalga En la Figura 3 se observa una situación my llamativa, y es el hecho de encontrar un mayor rendimiento de aceite (en ml de Lípidos) en la biomasa (en g) de Chorella Nativa que en el de Dunaliella Salina. Este hallazgo nos conlleva a analizar la microalga más favorable para una posible obtención de aceite a gran escala 6

7 FIGURA 4. Mililitro de aceite por litro de cultivo Con esta ultima Figura nos damos cuenta que ambas especies de microalgas tienen unos rendimientos de ml lípidos / L cultivo muy semejantes, aunque la Chorella Nativa presenta una leve ventaja. TABLA 3. Caracterización del aceite extraído Dunaliella salina Chorella nativa Índice de acidez Punto de humo Índice de refracción Índice de peróxido Índice de yodo Densidad (a 20 C) (mg NaOH/gr) C (n D ) (Wijs) La Tabla 3 nos muestra los valores obtenidos de los análisis de los aceites de los cultivos de microalgas, los cuales se encuentran en los rangos óptimos de calidad de aceite para Biodiesel. CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados obtenidos de las experiencias, se tiene que la microalga Dunaliella salina crece satisfactoriamente a las condiciones de cultivo seleccionadas, salinidad alrededor de 35% con agitación continua y empleando el medio (J/1) modificado, logrando valores superiores a los 26 millones de células por ml, pero esta 7

8 productividad en biomasa no es suficiente para conseguir un elevado contenido en lípidos lo que si se obtiene con la Chlorella nativa, la cual por medio de una alta velocidad de agitación por aireación y un valor de ph inicial de 7,5 se logró inducir un ambiente donde se presentó un factor de estrés en su crecimiento, lo que se tradujo en una mayor producción de lípidos, como se pudo apreciar en Figura 3 del análisis anterior. En base a lo anterior se plantea la posibilidad de evaluar diferentes estreses que aumenten el contenido de lípidos en la microalga Dunaliella Salina, y diferentes condiciones de cultivo que incrementen la densidad celular de los cultivos de Chorella Nativa. Con relación a las propiedades de los aceites obtenidos se puede resaltar los bajos niveles de ácidos grasos libres, lo cual nos permite predecir un mayor rendimiento de biodiesel al presentarse una menor producción de glicerol en el proceso de transesterificación. REFERENCIAS [1] Cardona, W., " Son los biocombustibles una alternative energética para Chile?", Blog,2007. [Online]: [2] Heredia, T., OIL ACCUMULATION VIA Chlorella species USING CARBON SOURCES FROM WAS", [3] Parra, O., Alzate, S, Biocombustibles con Chlorella sp, Feria Explora y Cuidamundos [Online]: Biocombustible%20con%20Chlorella%20SP.pdf [4] Fermín A, Seronay G. Effects of different illumination levels on zooplakton abundace, feeding periodicity, growth and survival of the Asian sea bass, Lates calcarifer (Bloch), and fry in illuminated floating nursery cages. Aquaculture 1997; 157: Copyright : The author assigns to UADI/CAI a license to reproduce this document for the congress purpose provided that this article is used to publish in full or in an abbreviated or edited form in the congress Internet website, on CD and in printed form within World Congress and Exhibition: ENGINEERING 2010-ARGENTINA s proceedings. 8

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