Viabilidad de producción de biodiesel a partir de cultivos energéticos de microalgas
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- Soledad Plaza Nieto
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1 Viabilidad de producción de biodiesel a partir de cultivos energéticos de microalgas Proyecto TRES TRansición hacia un modelo Energético Sostenible para Madeira, Azores y Canarias Raimundo Arvelo Álvarez Adelina de la Jara Valido Noviembre 2011
2 Clasificación de los biocombustibles BIOCOMBUSTIBLES PRIMARIOS SECUNDARIOS 1ª GENERACIÓN 2ª GENERACIÓN 3ª GENERACIÓN Leña Serrín Pellets Residuos animales Residuos forestales y de cultivos Gas de vertedero Sustrato: Semillas, cereales o azúcares Etanol 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 Sustrato: Biomasa lignocelulósica Etanol y butanol por hidrólisis enzimática Metanol, gasolina y diesel Fischer- Tropsch, dimetileter y diesel verde por procesos termoquímicos Biometano por digestión anaeróbica Sustrato: Algas y microbios Biodiesel y Etanol a partir de algas Hidrogeno a partir de algas v erdes y microbios
3 Qué son las microalgas? 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.
4 Microalgas como fuente energética + 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) 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.
5 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
6 Microalgas como fuente energética Inconvenientes frente a otros aceites vegetales * Energía y coste de los procesos previos * Rotura de la pared celular
7 Mata: Martins y Caetano Universidad e Instituto Politécnico de Porto
8 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 DE IMPORTANCIA DEL Género Proteina Carbohidratos Lipidos BIODIVERSIDAD SCREENING Chlorella Dunaliella Spirulina
9 Selección de cepas Selección de cepas Importancia del screening Chlorella Nannochloropsis
10 Producción de biomasa Sistemas abiertos vs sistemas cerrados Medios de cultivo CO 2
11 Planta de cultivo Dpto. Biotecnología del ITC 1200 m2 de superficie de cultivo en tanques abiertos. Planta de procesado Laboratorios físico-química, bioquímica, microscopía y molecular
12 Cosechado y procesado
13 Mata: Martins y Caetano Universidad e Instituto Politécnico de Porto
14 Microalgas como materia prima 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
15 Contenido en aceite Planta Contenido en aceite (% en peso) Rendimiento (l aceite/ha.año) Maíz (Zea mays L.) Cáñamo (Cannabis sativa L.) Soja (Glycine max L.) Jatropha (Jatropha curcas L.) Camelina (Camelina sativa L.) Cánola (Brassica napus L.) Girasol (Helianthus annuus L.) Ricino (Ricinus communis) Palma (Elaeis guineensis) Microalgas (contenido bajo) Microalgas (contenido medio) Microalgas (contenido alto)
16 Cadena de valor de las microalgas ENTRADAS PRODUCCIÓN SALIDAS Selección cepa Energía Luz Agua Nutrientes CO2 Selecci ón cepa Cultivo Cultivo Energía Energía Reactivos Recuperación Conversión Medio Subproductos y residuos Reciclado de residuos y recuperación energética Procesado Biocombustible
17 Determinación del rendimiento en aceite Método 1 Lee J.-Y., Yoo C., Jun S. -Y -, Ahn C.-Y., Oh H.-M. Comparison of severalmethods for effective lipid extraction from m icroalgae. Bior. Tech ; 10 1: MÉTODO Mé tod o 2 Bligh E.G., Dyer W.J. A rapid method of total lipid extraction and purification. Canadia n Journal of Biochemistry and Physiology 1959; 37 ( 8): ,50 g d e m icroa l ga (w 0) 100 ml de agua destilada MUESTRA 0,50 g de microalga (w0) 20 ml de agua destilada Frecuencia: 35 Hz Tiempo: 5 minutos ULTRASONIDO Frecu encia: 35 Hz Tiempo: 5 minutos 50 ml de CHCl3 : 50 ml CH3OH 5 min. EXTRACCIÓN 25 ml d e CH C l 3 : 50 ml C H 3OH 2 min. 25 ml d e CH C l 3 30 seg. 25 ml d e H 2O 30 seg. F iltración a vacío Disco de fibra de vidrio Pesar balón vacío (w1) Recoger la fase inferior en balón Anotar volumen recogido (Vrecogido) FILTRAC IÓN DECANTACIÓN Filtración a vacío Disco de fibra de vidrio Pesar balón vacío (w1) Recoger la fase inferior en balón Anotar volumen recogido (Vrecogido) RENDIMIENTO (%) = (W2 W1) W0 * 50 Vrecogido * 100 Separación empleando rotavapor Eliminar CHCl3(58ºC, vacío) Pesar balón con aceite (w 2) SEPARACIÓN Separación empleando rotavapor Eliminar CHCl3( 58ºC, va cí o) Pesar balón con aceite (w 2)
18 Resultados para el rendimiento en aceite Rendimientos 35,0 30,0 27,1 31,0 32,3 Rendimiento aceite (% peso seco) 25,0 20,0 15,0 10,0 21,3 Método 1 Método 2 5,0 0,0 Nannochloropsis sp. Chlorella sp. Especie
19 Influencia del ultrasonido en la extracción Nannochloropsis sp. Chlorella sp. 30,0 27,1 26,5 35,0 32,3 31,6 Rendimiento aceite (% peso seco) 25,0 20,0 15,0 10,0 17,1 14,0 21,3 21,3 Método 2 Método 1 Rendimiento aceite (% peso seco) 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 13,8 12,0 31,0 30,8 Método 2 Método 1 5,0 5,0 0, , Aplicación ultrasonido (min) Aplicación ultrasonido (min)
20 Extracción con Soxhlet Rendimiento en peso del extracto sobre biomasa seca (%) ,30 31,01 27,10 24,78 18,40 11,23 12,00 8,63 1,06 2,73 1,49 Chlorella sp. Nannochloropsis sp. Scenedesmus sp. n hexano etanol metanol resultados anteriores
21 Perfil de ácidos grasos de Nannochloropsis sp. 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 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
22 Perfil de ácidos grasos de Chlorellasp. CHLORELLA SP. (% en peso sobre el total de AG) Ácido Graso (AG) Método1 Método2 Biomasa Palmítico C16:0 23,55Método 126,82 Método 2 25,40 Biomasa Palmitoleico Saturados C16:1 (% peso) 2,04 25,73 1,64 28,80 1,96 27,58 Monoinsaturados (% peso) C16:2 4,85 24,75 22,59 4,99 23,80 4,30 Poliinsaturados (% peso) C17:1 13,59 49,51 48,61 12,97 48,61 12,20 Grado insaturación (DU) C16:4 2,53 123,78 119,80 1,87 121,03 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, Métodos y resultados experimentales
23 Biodiesel Algunas propiedades del biodiesel relacionadas con las del aceite de partida Número de cetano Índice de iodo Estabilidad Viscosidad
24 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
25 ESPECIES CHORELLA SP. NANNOCHLOROPSIS SP. SCENEDESMUS SP. CONDICIONES ÓPTIMAS 500 rpm 100% concentración catalizador (H 2 SO 4 ) Alcohol: metanol Tiempo: 4 horas RENDIMIENTO (g biod./g.biomasa seca*100) NÚMERO DE ACIDEZ (mg KOH/g muestra) RESULTADOS DENSIDAD (g/ml) % FAMES (Analizado por RMN) 8,53 3,26 0, ,69 1,13 3,37 0, ,23 Relación molar metanol:aceite 325:1 4,92 3,32 0, ,15 Temperatura: 60ºC
26 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
27 PROTEINAS MICROALGA S OTROS PRODUCTOS VALIOSOS LÍPIDOS BIOFUEL
28 Caso particular biorefinería Fracción lipófila Fracción hidrófila Actividad antiinflamatoria Elevados contenidos en carbohidratos
29 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
30 Muito obrigado pela sua atençao Raimundo Arvelo Álvarez Departamento de Ingeniería Química y TF Facultad de Química : : rfarvelo@ull.es Adelina de la Jara Valido Departamento de Biotecnología División de Investigación y Desarrollo Tecnológico : :adelajara@itccanar ias.org
Adelina de la Jara Valido Departamento de Biotecnología División de Investigación y Desarrollo Tecnológico Instituto Tecnológico de Canarias
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