MICROALGAS OLEAGINOSAS. Grupo de Bioenergía Facultad de Ciencias Físico Matemáticas e Ingeniería de la Universidad Católica Argentina

Transcripción

1 MICROALGAS OLEAGINOSAS Grupo de Bioenergía Facultad de Ciencias Físico Matemáticas e Ingeniería de la Universidad Católica Argentina

2 MICROALGAS Algunas Características Protistas eucarióticos y cianoficeas procarióticas. Fotosintetizadoras: Sustancias inorgánicas luz solar M. O. CO 2 Consumen 183 Ton CO 2 y producen 100 Ton masa. Producen Ton Peso Seco/Ha/Año.

3 MICROALGAS Algunas Características Crecen en medios líquidos agua dulce agua de mar efluentes medios inorgánicos Crecimiento en condiciones variables. Corto tiempo generacional. Al ser unicelulares toda la biomasa presenta los productos de interés.

4 MICROALGAS Algunas Características A diferencia de los vegetales superiores: Sus cultivos no son estacionales. Cosecha continua. No compiten por el uso de los suelos. No compiten por el uso del Agua. No requieren pesticidas ni herbicidas.

5 Producción de aceite Fuente Rendimiento de Aceite(L/ha) Área necesaria de Cultivo (M ha) c Maíz Soya Canola Jatrofa Coco Aceite de Palma Microalga a Microalga b Producción de aceite a partir de diferentes fuentes a. 70% en peso de aceite en la biomasa b. 30% en peso de aceite en la biomasa c. Para solventar el 50% del combustible necesario para el transporte en USA. Jaramillo Obando, Juan Jacobo, Evaluación Tecno económica de la producción de biocombustibles a partir de microalgas, Universidad Nacional de Colombia, 2011 Gao, 2009; Schenk, 2008; Chisti 2007.

6 MICROALGAS en el siglo XX : Desarrollo de sistemas algales como fuente de proteínas : Alemania produce algas para extraer lípidos y proteínas. 1940: Desarrollo de sistemas algales para acuicultura. 1960: Japón y Taiwan producen Chlorella como fuente de alimento natural : Investigaciones con fines medioambientales (transformación de aguas residuales) Biomasa 1970: para combustible Efluente Tratado para biofertilizantes

7 Alimentos. MICROALGAS Aplicaciones Pigmentos. Vitaminas. Polisacáridos. Tratamiento efluentes/ fertilización. Generación de Biocombustibles.

8 BIOETANOL MICROALGAS Aplicaciones BIOMETANO BIOHIDRÓGENO BIODIESEL OTROS industria farmacéutica cosmetología complementos nutricionales

9 MICROALGAS Composición Química 20-30% Lípidos Biomasa Algal 40-50% Proteínas Carbohidratos y otros

10 MICROALGAS Contenido de Aceite de Algunas Especies Especies Botryococcus braunii Chlorella sp Crypthecodinium cohnii 20 Cylindrotheca sp Dunaliella primolecta Isochrysis sp Monallanthus salina Nannochloris sp Contenido de Aceite (% peso biomasa seca) Nanochloropsis sp Neochloris oleoabundans Nitzchia sp Shizochytrium sp Chisti, 2007

11 MICROALGAS Diversos Lípidos Sintetizan ácidos grasos para diversos lípidos: Lípidos polares. Lípidos neutrales triglicéridos Ceras. Esteroles. Glicolípidos. Carotenoides. Tocoferoles.

12 MICROALGAS Loera-Quezada, Maribel; Olguín, Eugenia, Las microalgas oleaginosas como fuente de Biodiesel: retos y oportunidades en Revista Latinoamericana Biotecnol Amb Algal, 2010, p. 99

13 MICROALGAS La concentración total y la tipología de ácidos grasos: a) Específica. b) Tiene influencia ambiental -luz -ph -salinidad -temperatura -concentración de Nitrógeno y otros

14 Desarrollo de un cultivo intermitente dx X 0 dt dx dt dx dt. t

15 MICROALGAS Producción de Triglicéridos La producción de biomasa y de triglicéridos NO es simultánea Primera Etapa: Producir biomasa (medio de cultivo rico en nutrientes). Segunda Etapa: Aumentar la concentración de lípidos en la biomasa ya producida (condiciones de estrés)

16 MICROALGAS Producción de Triglicéridos Condiciones de estrés Deficiencia de nutrientes Químico Salinidad ph Físico Temperatura Luz

17 MICROALGAS Producción biomasa algal a) Sistema abierto tipo carrousel

18 MICROALGAS Producción biomasa algal b) Sistema cerrado (FBR)

19 Otros fotobiorreactores

20 MICROALGAS Grupo Biocombustibles-UCA 2012 Curso en el Laboratorio de Microalgas de la Facultad de Ciencias Naturales, de la UNPSJB bajo dirección de Prof. Isabel Albarracín (UNPSJB - CONICET). Incorporación de cepas provenientes de UNPSJB. Mantenimiento de cepas con repiques periódicos. 15 días

21 Factores involucrados en el crecimiento de cultivos en pequeña escala Iluminación Nutrientes Alga Salinidad (marinas) Agitación Temperatura ph

22 Mantenimiento de cultivos unialgales.

23 Obtención de cultivos axénicos.

24 Determinación del crecimiento algal por recuento microscópico (cámara Neubauer). Realización de ensayos para investigar comportamiento metabólico (Chlorella vulgaris y Scenedesmus quadricauda).

25 APROVECHAMIENTO DE LA GLICERINA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA ALGAL Se estudió el aprovechamiento de glicerina para la producción de biomasa algal por la especie Chlorella vulgaris. (UNPSJB) Se evaluó el crecimiento algal con diferentes concentraciones de glicerina. Se determinaron la glicerina residual, los triglicéridos totales y el perfil de los mismos.

26 Ensayo A- La microalga utilizada: Chlorella vulgaris B- Se utilizó medio de cultivo Detmer modificado (Accorinti,1960). (Anexo). C- Se realizaron 5 tratamientos, todos sobre 200 cc de medio de cultivo. GLICERINA/ LITRO 1 0, 125 gr 2 0,25 gr 3 0,5 gr 4 1 gr 5 2 gr D- Todos fueron inoculados con una densidad inicial de células/ ml.

27 CHLORELLA VULGARIS Taxonomía Orden: CHLOROCOCCALES Familia: OOCYTACEA Género: CHLORELLA Morfología: esférica, 2-10 micrones diámetro Clorofila a y b Vitamina C Betacaroteno Vitaminas B1, B2, B6, B12.

28 Condiciones del Ensayo A- Duración del ensayo: 12 días. B- Incubación a temperatura de 22 C C- Fotoperíodo16:8. D- Agitación diaria manual. E-Diariamente se realizaron recuentos celulares con Cámara de Neubauer, por triplicado y se determinó el ph.

29 Densidad celular (n celulas/ml) RESULTADOS ENSAYO 1: CHLORELLA VULGARIS CON 0,125 gr de glicerina /L Día ph Densidad celular 0 6, , , , , , , , , , , , , , Días

30 ENSAYO 1: CHLORELLA VULGARIS CON 0,125 gr de glicerina /L Tiempo Concentracion ln C/Co 3 9,2 0, ,875 0, ,54 0, ,375 1, ,25 1, ,375 1, ,8 1, ,37 2, ,08 2, ,5833 2, ,375 3, ,333 3,423884

31 Densidad celular (n celulas/ml) ENSAYO 2: CHLORELLA VULGARIS CON 0,25 gr de glicerina /L Día ph Densidad celular 0 6, , , , , , , , , , , Días 13 9, ,

32 ENSAYO 2: CHLORELLA VULGARIS CON 0,25 gr de glicerina /L Tiempo Concentracion ln C/Co 3 15,9583 0, ,7916 0, ,3 0, ,375 0, ,8333 1, ,5833 1, ,5416 1, ,3333 1, ,3333 1, ,5 1, ,29 2, ,7916 2,334703

33 Densidad celular (n celulas/ml) ENSAYO 3: CHLORELLA VULGARIS CON 0,5 gr de glicerina /L Día ph Densidad celular 0 6, , , , , , , , , , , , , Días

34 ENSAYO 3: CHLORELLA VULGARIS CON 0,5 gr de glicerina /L Tiempo Concentracion ln C/Co 3 18,75 0, ,375 0, ,7375 0, ,4166 0, ,4166 0, ,2083 0, ,25 1, ,375 1, ,4166 1, ,2916 1, ,6666 2, ,2916 2,657146

35 Modelado de la cinética de crecimiento de las micro algas X. 2 X o n Si definimos un tiempo de generación g =t/n X ln ln X 2 g X o.2 ln t g X dx. dt X ln X ln X o t.ln t. 2 g velocidad o generalizando específica de crecimiento

36 Cinética de crecimiento Ln X/X o lnx - lnx o = t.µ lnx/x o = t.µ Pendiente = µ Tiempo en días

37 Densidad celular (n celulas/ml) ENSAYO 4: CHLORELLA VULGARIS CON 1 gr de glicerina /L Día ph Densidad celular 0 6, , , , , , , , , , , Días 13 7, ,

38 ENSAYO 4: CHLORELLA VULGARIS CON 1 gr de glicerina /L Tiempo Concentracion ln C/Co 3 26,625 0, ,4166 0, ,25 0, y = 0,1744x - 0,4475 R² = 0, ,7083 0, ,75 0, ,6666 0, ,0833 0, ,4166 1, ,4583 1, ,875 1, ,2083 1, ,2083 2, µ 0,174 1/ días

39 Densidad celular (n celulas/ml) ENSAYO 5: CHLORELLA VULGARIS CON 2 gr de glicerina /L Día ph Densidad celular 0 6, , , , , , , , , , , , , Días

40 ENSAYO 5: CHLORELLA VULGARIS CON 2 gr de glicerina /L Tiempo Concentracion ln C/Co 3 16,54 0, ,5 0, ,7783 0, ,9166 1, ,1666 1, y = 0,1898x - 0,2504 R² = 0, ,33 1, ,296 1, ,875 1, ,9583 1, ,0416 2, ,79 2, µ 0,189 1/ días ,4166 2,557464

41 Anexo - Medio Detmer Modificado Fuente Accorinti (1960) Solución A (macronutrientes) Ca (NO 3 ) 2 4H 2 O 1.439gr KH 2 PO gr MgSO 4 7H 2 O KCl Solución B (Tartrato férrico) FeCl 3 6H 2 O 0.91gr Ácido tartárico 0.5gr 0.51gr 0.25gr Solución C (micronutrientes) H 3 BO 3 MnCl 2-4H 2 O ZnCl 2 CuCl gr 0.18gr 0.01gr 0.005gr Observaciones: para un litro de solución final se necesita Solución A: 25ml Solución B: 1 ml Solución C: 1ml Se utiliza agua destilada para llevar a un litro de solución final. Se debe ajustar el ph de la solución final a 6.8 con OHNa 0.40% (m/v). Se esteriliza en autoclave a 120 C y 1.5 kg/cm 2 durante 25 minutos.

42 Método cromatográfico Para triglicéridos se basó en la Norma ASTM D (Glicerina en Biodiesel B-100) Para glicerina libre se utilizó un método basado en las Normas USP y Farmacopea Europea. Para ácidos grasos, Normas USP y Farmacopea Europea. Para todas las corridas, Cromatógrafo gaseoso marca Agilent 6890 con detector de Masas 5973 usando columna HP-5MS DE 30 m, 0,25 mm diámetro y 0,25 µm de espesor de film.

43 Cuantificación de Glicerina Residual 1) Preparación de la muestra: Centrifugación de la muestra Secado de sólido en estufa a 100 C Adición de 2mL de Cloroformo + 1 ml de Metanol Ultrasonido Adición de 0,5 ml de solución saturada de NaCl Fase acuosa: Análisis de Glicerina libre

44 Cuantificación de Glicerina Residual 2) Resultados: Muestras Glicerina Libre % P/P Extracto seco 0,025 gr/200 ml 0,24 0,05 gr/200 ml 0,05 0,10 gr/200 ml 4,94 0,20 gr/200 ml 2,85 0,40 gr/200 ml 19,02

45 Cuantificación de Glicerina Residual Ensayo Glicerina inicial (gr/200ml) Glicerina remanente (gr/200ml) Glicerina aprovechada (%) 1 0,025 0, ,05 0, ,8 3 0,10 0, ,8 4 0,20 0, ,05 5 0,40 0, ,1

46 Muestra SIN GLICER CIC g de GLICER CIC g de GLICER CIC g de GLICER CIC g de GLICER CIC g de GLICER CIC Mono, di y trigliceridos Ácidos grasos metil ésteres % P/P extracto seco TOTAL 0,19 3,32 ND 3.70 ND 5.65 <LC 6.34 ND 3.14 ND 6.65 Límite de cuantificación (LC): Límite de detección (LD): 0.009% para glicerina libre, 0.009% para mono di y triglicéridos y 0.006% para FAME 0.003% para glicerina libre, 0.003% para mono di y triglicéridos y 0.002% para FAME

47 Perfil ácidos grasos Ensayo sin glicerina Ácido graso % area Palmitato de metilo 31.1 Palmitoleato de metilo 4.3 Hexadecadienoato de metilo 3.6 Hexadecatrienoato de metilo 5.0 Stearato de metilo 11.1 Oleato de metilo C18:1n Oleato de metiloc18:1n Linoleato de metilo 8.0

48 Perfil ácidos grasos Ensayo con g de glicerina/200ml Ácido graso % area Palmitato de metilo 25.6 Palmitoleato de metilo 10.7 Hexadecadienoato de metilo 2.6 Heptadecanoato de metilo 2.6 Heptadecadienoato de metilo 7.1 No identificado posible C Estearato de metilo 3.7 Oleato de metilo C18:1n Oleato de metiloc18:1n Linoleato de metilo 11.8 Linolenato de metilo 6.1

49 Perfil ácidos grasos Ensayo con 0.05 g de glicerina/200ml Ácido graso % area Palmitato de metilo 27.7 Palmitoleato de metilo 1.2 Hexadecadienoato de metilo 1.1 Heptadecanoato de metilo 0.9 No identificado posible C Stearato de metilo 8.7 Oleato de metilo C18:1n Oleato de metiloc18:1n Linoleato de metilo 17.2 Linolenato de metilo 8.0

50 Perfil ácidos grasos Ensayo con 0,1 g de glicerina/200ml Ácido graso % area Miristato de metilo 2.9 Palmitato de metilo 21.5 Palmitoleato de metilo 7.4 Hexadecadienoato de metilo 3.7 Heptadecanoato de metilo 5.0 Heptadecadienoato de metilo 8.0 No identificado posible C Stearato de metilo 14.0 Oleato de metilo C18:1n Oleato de metiloc18:1n Linoleato de metilo 8.6 Linolenato de metilo 5.0

51 Perfil ácidos grasos Ensayo con 0,2 g de glicerina/200ml Ácido graso % area Miristato de metilo 3.5 Palmitato de metilo 22.6 Palmitoleato de metilo 3.2 Hexadecadienoato de metilo 1.4 Heptadecanoato de metilo 1.9 Heptadecadienoato de metilo 4.3 No identificado posible C Stearato de metilo 8.9 Oleato de metilo C18:1n Oleato de metiloc18:1n Linoleato de metilo ,12,15 Linolenato de metilo 2.6 3,9,12 Linolenato de metilo 6.4

52 Perfil ácidos grasos Ensayo con 0,4 g de glicerina/200ml Ácido graso % area Miristato de metilo 8.3 Palmitato de metilo 28.4 Palmitoleato de metilo 6.4 Hexadecadienoato de metilo 1.9 Heptadecanoato de metilo 1.8 Heptadecadienoato de metilo 3.8 No identificado posible C Hexadecatrienoato de metilo 1.1 Estearato de metilo 6.1 Oleato de metilo C18:1n Oleato de metiloc18:1n Linoleato de metilo ,12,15 Linolenato de metilo 5.9