leb Microalgas, Biodiesel y Biopolímeros Hacia la generación de energías limpias: Dr. Jorge Alberto Vieira Costa Universidade Federal do Rio Grande

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1 leb laboratório de engenharia bioquímica Hacia la generación de energías limpias: Microalgas, Biodiesel y Biopolímeros Alajuela, Costa Rica 29 de julio de 2013 Dr. Jorge Alberto Vieira Costa Universidade Federal do Rio Grande

2 Temas Calentamiento Global Biotecnología de Microalgas Fotobiorreactores para el Cultivo de Microalgas Producción de Biodiesel a Partir de Microalgas Ventajas del Biodiesel de Microalgas Producción de Biopolímeros de la Biomasa Residual Biofijación de CO 2 por las Microalgas

3 Por que Biodiesel de Microalgas? Por que Biodiesel??

4 El PROBLEMA

5 REVISTA TIME (ABRIL/2006) El PROBLEMA

6 EL PROBLEMA

7 LAS CAUSAS DEL PROBLEMA 1. Homo sapiens 2. Energía para la sociedad establecida en el siglo XX

8 LAS CAUSAS DEL PROBLEMA MATRIZ ENERGÉTICA ~75% de la Matriz Energética es FÓSIL

9 LA SOLUCIÓN CAMBIO DE MENTALIDAD!!!!! Cómo utilizar la energía? Cuál tipo de energía utilizar? Otros cambios...

10 LA SOLUCIÓN Medidas orientadas a reducir la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Reducir emisiones y capturar CO 2

11 LA SOLUCIÓN CO 2 emitido + CO 2 fijado Cambios en la matriz energética Sistemas con capacidad de fijación de CO 2

12 MATRIZ ENERGÉTICA Petróleo + Carbón + GN >75% de la Matriz Petróleo 100 años Carbón 200 años Pasivos Ambientales Efecto Invernadero Capa de O 3 Emisiones Atmosféricas...

13 DIVERSIFICACIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA Hidroeléctricas (en agotamiento) Eólica Biomasa Biogás Bio Metano Nuclear (herencia de > años) Solar*

14 LUZ Energía fijada por la fotosíntesis 3 x10 21 joules/año 0,1% de la energía solar recibida 10x la energía total utilizada 3 x joules/año

15 DIVERSIFICACIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA COMBUSTIBLES VEHICULARES* Alcohol (Etanol y Butanol) Gas Natural Hidrógeno Bio Metano Electricidad Biodiesel *ecológicamente sustentables

16 DIVERSIFICACIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA COMBUSTIBLES VEHICULARES Preferiblemente: LÍQUIDOS SÓLIDOS

17 POR QUE ÁRBOLES Y MICROALGAS FIJAN CO 2? Ambas realizan fotosíntesis 6 CO H 2 O + 6 O 2 + Biomasa MICROALGAS 70% del CO 2 absorbido

18 Ventajas de las microalgas

19 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

20 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

21 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

22 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

23 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

24 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

25 Control de Proceso Ventajas de las microalgas Calidad del suelo y área necesaria Capacidad de fijación: Árboles 1 3,5 ton/ha.año Microalgas 4,3 16,2 ton/ha.año Resultados inmediatos (años X horas) Ventajas operacionales: Árboles: 0,035% CO 2 atm Microalgas: 12% CO 2 (resiste hasta 50% CO 2 ) Biomasa aprovechable

26 BIOTECNOLOGÍA DE MICROALGAS

27 QUÉ SON LAS MICROALGAS? grupo heterogéneo de microorganismos que realizan fotosíntesis microscópicos uni o pluricelulares Con o sin núcleo de evolución reciente o muy antiguos que ocurren en medios acuosos (>95%)

28 Spirulina (Arthrospira)

29 Anabaena sp. Nostoc sp. Scytonema sp. Stigonema sp.

30 Porphyridium sp. Compsopogon sp. Bangia sp.

31 EJEMPLO DE COSTOS Astaxantina sintética: $1.000/kg Astaxantina a partir de técnicas biotecnológicas (microalgas): $30/kg

32 Como hacer Biodiesel de Microalgas?

33 Biodiesel: FÁCIL Reacción de sustancias grasas con alcoholes de cadena corta.

34 Como Cultivar Microalgas?

35 Que hacer con la Biomasa Residual?

36 Cómo volver el Proceso Viable?

37 Biorrefinaria de Microalgal Residuos Industriales Domésticos Agroindustriales Energía Solar Oxígeno Extracción Química fina Lípidos Esterificación Aguas Residuales Nutrientes Cultivo de Microalgas Biomasa Microalga Alimentación Animal Alimentación Humana Biodiesel Aire Gas de Combustión Absorción del CO 2 Residuo Fermentación Alcohólica BioEtanol BioButanol Gas Carbónico Piscicultura Digestión Anaeróbica Biogás Biofertilizante Gasificación Producción de Hidrógeno Agua Tratada Combustión CO2 Energía

38 BIORREACTORES PARA EL CULTIVO DE MICROALGAS

39 Biorreactores para el cultivo de microalgas Sistemas abiertos Tanques alargados raceways Tanques circulares Sistema en cascada Sistemas cerrados Fotobiorreactores tubulares

40 Earthrise, California

41 Sistemas abiertos Cyanotech, Hawaii, USA

42 Israel

43 Producción de Chlorella en Japón

44 Sistemas abiertos Granja de Flamant Vert Spirulina - Ecuador

45 Parry Ltd., Tamil Nadu

46 Sistemas cerrados Fotobiorreactor cerrado tipo columna (Italia) Fotobiorreactor cerrado tipo tubular (España)

47 FOTOBIORREACTORES DE COLUMNA - LEB

48

49 Alemania

50

51

52 Casi km de tuberías

53 GREEN FUEL Technologies Corp. Fotobiorreactor tubular para la captura de Nox y CO2 para la producción de biodiesel. GREEN FOOL

54 Definición del Proceso y del Biorreactor área disponible tipo de microalga disponibilidad de inversión costos con energía, agua, nutrientes y tierra clima temperatura y luminosidad

55 PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS

56 Combustibles BIODIESEL renovables biodegradables ambientalmente correctos. Mezcla de esteres metílicos o etílicos de ácidos grasos. En el caso de Brasil, las características son reguladas por la ANP (Agencia Nacional del Petróleo)

57 Biodiesel: FÁCIL Reacción de sustancias grasas con alcoholes de cadena corta.

58 Esterificación O catalizador O CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 C OH + CH CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 C OCH 2 CH 3 CH 2 OH 3 + H 2 O Ácido Graso Etanol Biodiesel Agua Catalizadores NaOH; KOH; HCl; H 2 SO 4 ; SnCl 2 ; ZnCl 2 ; I 2 ; Enzimas

59 Transesterificación O O CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 C O OCH 2 catalizador CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 C OCH 2 CH 3 O HO CH 2 CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 C O OCH + 3 CH 3 CH 2 OH CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 O C OCH 2 CH 3 + HO HO CH CH 2 C n H 2n+1 C OCH 2 C n H 2n+1 C OCH 2 CH 3 Triacilglicerol Etanol Biodiesel Glicerol

60 PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Fuente kg/ha-año Palma Higuerilla Canola Girassol 800 Maní 890 Soja 375 Nannochloropsis ocullata Thalassiosira fluviatilis

61 BIOMASA DE ALGAS Microalgas utilizadas: Chlorella Navicula Spirulina Tetraselmis Oscillatoria Scenedesmus Microactinium Nannochloropsis Skeletonema Platymonas

62 Flujograma para la obtención de biodiesel de microalga

63

64 Producción de Biodiesel de microalgas Lipid fration of microalga (A e B), Biodiesel of soya (C) and Biodiesel of microalga (D).

65 leb laboratório de engenharia bioquímica PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS FURG - PETROBRÁS Contrato RA

66 SÚPER INTERESANTE SET/2008

67 leb laboratório de engenharia bioquímica PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS FURG CGTEE UPF Fundação ZERI Edital MCT/CNPq/MPA - Nº 26/2008 Tecnologias para produção de biodiesel a partir de microalgas

68 BioOil BRASIL

69 Objetivos Presentar: Un proyecto tecnológico innovador con énfasis para el sector de producción de caña de azúcar, aplicando el conocimiento de Bio-refinerías. Pretende: Producir biocombustibles de segunda y tercera generación.

70 Países que cubren las patentes: USA; Canadá; Japón; Australia; EU; India; México; Caribe; Nueva Zelandia; África del Sur,...

71 Propiedades del bioaceite de algas en comparación con el aceite combustible BPF derivado de petróleo Propiedades Aceite de Biomasa De Algas OF M 27 Aceite Combustible BPF (tipo A) Densidad aparente (kg/m 3 ) Viscosidad Cinemática (mm 2 /s) (Máx) Punto de inflamación Min. 0 C o C (Min) H 2 O y Sedimentos (%Volumen) 1,69 2% (Máx) Contenido de azufre 0,49 2,50% (Máx) Poder Calórico Inferior Kcal/Kg

72

73 Cultivo de Spirulina em estufa de hidroponia BioOil-Algal escala piloto...

74 Harinas Bioaceites Biodiesel de microalga Harina sin grasas PHB Aceite bruto de microalga

75 Mapa de las Principales Culturas Oleaginosas en Costa Rica Piñón Palma aceitera La Higuerilla Sacha Inchi

76 Definición del Local para Cultivo de Microalgas Conocimiento de la topografía local Área disponible Temperatura Luminosidad Agua Regímenes de lluvia

77 Nuevo Mapa de las Culturas Oleaginosas en Costa Rica xxxxxxxx MICROALGAS Palma aceitera Piñón Sacha Inchi Higuerilla xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS

78 Brillo Solar, Promedio Anual por Región. Fuente: IMN, 2010

79 Brillo Solar, Promedio por Región Fuente: IMN, 2010

80 Definición del Local para Cultivo de Microalgas Conocimiento de la topografía local Área disponible Temperatura Luminosidad Agua Régimen de lluvia

81 Pacífico Norte (Zona de Guanacaste) Brillo solar promedio = 7,1 h/día de luz directa, con picos de hasta 10h. Temperatura promedio anual = entre 26 y 33 C Precipitación anual = entre y mm Altitud promedio = 50 msnm

82 Nuevo Mapa de las Culturas Oleaginosas en Costa Rica xxxxxxxx Palma aceitera MICROALGAS Piñón Sacha Inchi La Higuerilla xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS xxxxxxxx MICROALGAS

83 Que hacer con la Biomasa Residual?

84 BIOMASA DE MICROALGAS - Biocombustibles BIOMASA BIOENERGÍA Biodiesel BioEtanol Hidrogeno BioButanol Quema Directa BioMetano

85 BIOMASA DE MICROALGAS - utilización BIOMASA Alimento Fertilizante Ración Tratamiento de BioPolímeros Residuos Biosurfactante

86 PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS DE MICROALGAS

87 PROCESO AUTO SUSTENTABLE

88 BIOPOLÍMEROS DE MICROALGAS

89 POLI 3-HIDROXIBUTIRATO (PHB) Biopolímero, biodegradable y biocompatible; Atóxico; Insoluble en agua; Producido a través de recursos renovables; Poliéster; Utiliza 10% de la energía necesaria para el PP

90 POLI 3-HIDROXIBUTIRATO (PHB) Propiedades termoplásticas, características físicas y mecánicas semejantes a las del polipropileno. Precio de venta: entre 4 y 5 mil US$ por tonelada (mercado internacional)

91 POLI 3-HIDROXIBUTIRATO (PHB) Aplicaciones Producción de embalajes, fármacos,... Sustitución de plásticos petroquímicos convencionales; Área médica: materiales ostiosintéticos y suturas quirúrgicas; matriz para liberación lenta de drogas, hormonas. Fabricación de bienes descartables; Embalajes; Tecnología de Extrusión, Termo formaje y Fibras

92 PRODUCTORES MONSANTO BAYER I.C.I. RHODIA DUPONT BASF EASTMAN METABOLIX NOVAMONT...

93 APLICACIONES Funte: CETEA/ITAL

94 APLICACIONES Funte: PHB Industrial

95 Embalajes de cosméticos Espumas Fibras / Poliuretanos Lapiceros y Pilots

96 Repuestos Automotrices

97 OTRAS APLICACIONES DE PHB Mezclas posibles: Co-poliésteres, PLA, PCL, polvo madera, almidón, sisal,..

98 PRODUCCIÓN DE PHB Proceso tradicional: bacterias + azúcar Alto costo de producción en comparación a los plásticos petroquímicos: substrato y extracción SOLUCIONES 1. Sustratos de bajo costo: más de 40% de economía en el proceso de producción de PHB 2. Proceso de extracción viable económicamente

99 1. Sustratos de bajo costo Cultivo de microalga Sustrato inorgánico: bicarbonato o CO2 Extraer aceite para producir biodiesel Extraer el PHB de la Biomasa Residual

100 2. Proceso de extracción Una técnica de extracción del PHB reduciendo la cantidad de solventes, usando solventes de bajo costo, reduciendo etapas del proceso y volviendo el proceso menos contaminante es necesario para volver la utilización de ese polímero en mayor escala viable económicamente.

101 MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN La mayoría de los procesos usa solventes orgánicos como Cloroformo, Metanol, Carbonato de Propileno, Carbonato de Etileno y Dicloroetano GRANDES CANTIDADES DE SOLVENTE UTILIZADAS (generalmente alrededor de 1:100, biomasa : solvente)

102 MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN ICI (Imperial Chemical Industries) extrae el PHB de bacterias a través de tratamiento térmico, seguido de digestión enzimática y lavado con surfactante ALTO COSTO DE ENZIMAS

103 MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN Patente PI : método de extracción con alcohol isoamilico y carbonatos cíclicos CARBONATOS EXTREMAMENTE CAROS CON PUNTO DE EBULLICIÓN MUY ELEVADO (extracción por arriba de 100 C), IMPLICANDO EN ALTO CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA EXTRACCIÓN

104 MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN MONSANTO: Patente EP proceso de extracción de P3HB utilizando enzimas y/o surfactantes COSTO ELEVADO DE LA ENZIMA (1% DE LA MASA SECA DE CÉLULAS), DEL SURFACTANTE Y DE LOS SOLVENTES EMPLEADOS

105 MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN Método in sito con dodecilsulfato de sodio, calentamiento a 90 C por 2h, centrifugación, lavado, tratamiento con HCl, extracción con acetona y éter dietil MUCHAS ETAPAS DE PROCESO, MUCHOS SOLVENTES CAROS

106 MÉTODO DE EXTRACCIÓN DE PHB DESARROLLADO POR JORGE A. VIEIRA COSTA UTILIZACIÓN DE TAN SOLO 1 O 2 COMPUESTOS QUÍMICOS DE BAJO COSTO DILUIDOS EN AGUA UNA ÚNICA ETAPA DE EXTRACCIÓN TIEMPO PROMEDIO DEL PROCESO: 3-5 HORAS REDUCCIÓN DEL 88% DE LOS COSTOS CON EL PROCESO PRODUCTO CON ALTA PUREZA Y ATÓXICO: UTILIZADO EN ESTUDIOS CON CÉLULAS TRONCO

107

108 Estudar o aproveitamento biotecnológico do dióxido de carbono e de óxido de nitrogênio através do cultivo de microalgas, e a partir da biomassa microalgal, obter biopolímeros para o desenvolvimento de nanofibras. Microscopia electrónica (SEM), sobre aumento de veces.

109 BIODEGRADACIÓN

110 BIODEGRADACIÓN Degradación de frascos de P(3HB-co-3HV) en agua de alcantarilla

111 BIOPOLÍMEROS DE MICROALGAS: estudio a gran escala

112 BIOPOLÍMERO

113 BIOPOLÍMERO PHB SCALE UP

114

115 OTROS BIOCOMBUSTIBLES DESARROLLADOS BioEtanol Biogás Biometano Briquetes de Microalga (Biocarbón) TECNOLOGÍAS EN DESARROLLO BioButanol Hidrógeno

116

117 Existen aplicaciones prácticas de ese proceso con MICROALGAS??

118 El Planeta Tierra hace mil millones de años Composición básica de la atmosfera: CO, CO2, O2, H2, N2 y vapor de agua

119 QUIEN HIZO ESA LIMPIEZA?? 21% O 2 79% N 2 < 300 ppm CO 2

120 Aplicación mas práctica, IMPOSIBLE!!!!!

121 leb laboratório de engenharia bioquímica

122 Estructura Física Laboratorio principal (240m 2 ) Invernadero externo (20m 2 ) CEAS - Centro de Alimentos Enriquecidos con Spirulina (250m 2 ) Unidad Santa Vitória do Palmar 16ha 300 m 2 invernadero 80 m 2 laboratorio Laboratorio de Microalgas CGTEE (70m 2 ) Planta Piloto de Biofijación CGTEE (6.000m 2 )

123 Fundação ZERI Brasil Copesul / Braskem Aliados Petrobrás S.A. Refinaria de Petróleo Ipiranga S.A. Eletrobrás S.A. CGTEE Companhia de Geração Termo Elétrica S.A. International Network for Biofixation of CO 2 and Greenhouse Gas Abatement with Microalgae IMCOPA S.A. CTC Centro de Tecnologia Canavieira AFASA Indústria de Plásticos Ltda

124 Equipo Jorge Alberto Vieira Costa, Coordinador 5 profesores: Michele Morais; Michele Andrade; Lucielen; Elisangela; Ana Priscila 2 Pos-Doctores: Adriano y Célia 12 Estudiantes de Doctorado: Lisiane, Shana, Cristiane, Denise, Thaísa, Renato, Roberta, Sabrina, Ana Cláudia, Bárbara, Gisele y Roque 10 Estudiantes de Maestría: Gabriel, Luiza, Joice, Bruna, Pamela, Juliana, Krisseli, Etiele, Jéssica, Caroline 2 Técnicos: Roque Zilio; Mara 20 Estudiantes de Graduación LEB y CEB mas que m2

125 Muchas Gracias

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