Aplicaciones biotecnológicas de microalgas: caso de estudio.

Transcripción

1 Aplicaciones biotecnológicas de microalgas: caso de estudio. Mic. Carolina Belén García. Dra. Stela Maris da Silva Dr. Jorge Barón Proyecto de Producción de Microalgas para obtención de Biocombustibles

2 GENERALIDADES: VENTAJAS DE LOS CULTIVOS DE MICROALGAS FUENTE DE ENERGÍA RENOVABLE: Biocombustibles que no requieren suelos agrícolas, no compiten con alimentos. Mayor rendimiento productivo y eficiencia fotosintética. MITIGACIÓN DE CO 2 : Créditos de carbono. TRATAMIENTO DE EFLUENTES: Especies aptas para crecer en ambientes hostiles. BIOREFINERÍA Obtención de subproductos de alto valor agregado Proyecto Microalgas para Biocombustibles IMD - ECT UNCUYO MENDOZA. ARGENTINA.

3 Wilkie et al., Indigenous algae for local bioresource production: Phycoprospecting. Energy and Sustanaible Development. 15 (2011) Elsevier.

4 Microalgae

5 GRUPO DE INVESTIGACIÓN Director Co-directora Dr. Jorge H. Barón Dra. Stela Maris da Silva Integrantes Mic. Carolina B. García Ing. M. Florencia Codina Téc. Anahí Fonollá Biol.Molec. Abi Anello Sr. Guillermo Gandía Colaboradores Estudiantes de Ingeniería Química, Técnicatura en mantenimiento industrial, Biología y/o carreras afines.

6 Emprendimiento conjunto público-privado

7 RESUMEN DEL PROYECTO a-oil El proyecto se enfoca en el desarrollo tecnológico de sistemas de cultivos de microalgas a escala piloto asociados a industrias de diversa índole, con fines energéticos y ambientales que contribuyan al desarrollo sustentable y aprovechamiento de recursos regionales. Se contemplan actividades de investigación aplicada, estudios paramétricos, definición del potencial comercial, en el marco de investigación, desarrollo y formación de recursos humanos en emprendimientos conjuntos entre instituciones públicas-privadas. Proyecto Microalgas para Biocombustibles IMD - ECT UNCUYO MENDOZA. ARGENTINA.

8 Nuestro producto: know how Desarrollo de tecnologías de explotación rentable y a escala industrial de cultivos de microalgas para: Producción de energías alternativas: biodiesel, biocombustibles sólidos. Mitigación de gases de efecto invernadero (CO 2 ) Productos de alto valor agregado; Tratamiento de efluentes residuales Lo que se desea vender a las empresas es un DESARROLLO TECNOLÓGICO que les permita mejorar sus procesos, mitigar sus impactos ambientales, reducir sus costos y maximizar sus ganancias.

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10 EL DESARROLLO TECNOLÓGICO

11 Biomasa producida. Lípidos totales. Poder Calorífico Superior (PCS). Generación de Biogás. Captura efectiva y mitigación de CO 2. Extracción de xantinas. Producción de pigmentos. Estudios de calidad nutricional de microalgas secas como suplementos/aditivos. Cultivo en efluentes urbanos pretratados. Desarrollo de sistemas de cultivo, harvesting, secado y almacenamiento factibles de ser replicados en sistemas modulares. Determinación de factores críticos en cada etapa, para realizar estimaciones de factibilidad económica y rentabilidad de cada uno los procesos a una escala industrial. TODOS ESTOS PUNTOS SIN DEJAR DE LADO LA UTILIZACIÓN DE RECURSOS INDUSTRIALES COMO INSUMOS PRODUCTIVOS EN SISTEMAS SUSTENTABLES

12 MUESTREOS

13 MICROALGAS

14 Medios de cultivo: tipos, proporciones. Fuentes de N y P. Fuentes de C: orgánica e inorgánica (CO 2 frecuencia de inyección, duración y cantidad). Variables estudiadas en diversas configuraciones experimentales Adición de O 2 (frecuencia de inyección, duración y cantidad). Tipo de agua de cultivo. Láminas de agua-profundidad. Iluminación y Fotoperiodos: duración, intensidad, tipos. Agitación, ph, conductividad. Duración de los ciclos. Inóculos. tipos, proporciones. Factores de escalado. Se realizaron múltiples ensayos en diversas configuraciones experimentales, a fin de detectar la influencia de las variables, de forma individual y combinada, y poder determinar relevancia y efectos en términos de parámetros medidos para poder proponer y realizar la optimización de procesos, tanto in-door como out-door.

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17 Métodos evaluados para cosecha y concentración Se propusieron, estudiaron y optimizaron diversos métodos de cosecha y concentración (harvesting), entre ellos centrifugación, diferentes tipos de filtrado y filtros, entre ellos filtrado tangencial, floculación, electrofloculación, teniendo en cuenta Factores de filtrado. Factores de reducción. Factibilidad del método a ser aplicado en grandes volúmenes, Tiempos, consumo y gastos energéticos. Calidad y cantidad de biomasa obtenida.

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20 Secado Temperatura de secado: afecta la composición y el rendimiento de los lípidos El secado a 60 C conserva una alta concentración de TAG en los lípidos y sólo disminuye ligeramente el rendimiento. Temperaturas superiores a 60 C: disminuyen la rendimiento de los lípidos [Widjaja et al., 2009]. concentración de TAG y el Nuestra temperatura de trabajo: 50 C. Cultivos in-door: estufa. Cultivos out-door-escala piloto: Secadores tipo spray en chorro de aire caliente.

21 UTILIZACIÓN Y DESTINO DE LA BIOMASA

22 Parámetros evaluados en las diversas configuraciones experimentales Productividad y rendimiento en cada configuración experimental, en términos de: Biomasa. Lípidos. Perfil de ácidos grasos (FAMEs). PCS. Producción de biopigmentos. Tasas de crecimiento y tiempos de duplicación. Resistencia, viabilidad y predominancia de microalgas. Relación entre estos parámetros de acuerdo a cada objetivo particular de diseños experimentales específicos, tanto in-door como out-door.

23 Avance de resultados Se ha logrado la predominancia de dos cepas de microalgas Chlorella sp. SC01 y Scenedesmus sp. SC02 en todos los cultivos y condiciones ensayadas, aún en condiciones NO axénicas. Se observaron productividades de biomasa en el orden de 1,84 g.l -1, alcanzando un máximo de 3,928 g.l -1 en términos de biomasa seca final respecto a la inicial (0,196 g.l - 1 ), aunque estos valores dependen de condiciones experimentales particulares. Promedio de los RP de marzo a julio: 15g/m 2.día. Promedio de los RP (mundial): 20-25g/m 2.día. Los valores de biomasa fueron mayores en láminas de agua de 30cm y 15cm respecto de cultivos crecidos en láminas de 10cm. Mediante la adición de CO 2 se logran productividades 3 veces mayores de biomasa. Chlorella sp. secuestra 59% del CO 2 en concentración 1% (Ramanan et. al, 2010). Actualmente estamos trabajando en disolución de CO 2 inferior a 1%. Se ha logrado obtener rendimientos significativos de biomasa y lípidos en 3, 5 y 7 días de cultivo mediante optimización de medios de cultivo, tanto in-door como out-door, en condiciones NO axénicas.

24 Avance de resultados Mediante diversos esquemas experimentales se ha observado un efecto marcado en el crecimiento de microalgas y productividades, principalmente en los estudios de optimización de medios de cultivo. La cosecha y concentración (harvesting) mediante filtrado tangencial resultó apropiada, obteniéndose factores de filtrado de hasta 20:1 (L) en 30, a partir de prototipos experimentales diseñados para tal fin. El método de electrofloculación resultó eficaz y eficiente, la mejora y diseño de prototipos se encuentra en ejecución. Lípidos: valores de 8% hasta 20% a partir de cultivos en consorcio y condiciones no axénicas (considerando la total ausencia de esterilización y la no selección de especímenes). Extracción de aceites: el tratamiento combinado (macerado con criotratamiento previo y posterior extracción con n-hexano) fue más eficiente (en un 27%) que la técnica convencional (sin criotratamiento previo).

25 Avance de resultados Se analizaron los perfiles de lípidos y se compararon con muestras de biodiesel (utilizados actualmente para cortar el diesel común). Los resultados mostraron similitudes entre ambos patrones. Por lo tanto, los FAMEs obtenidos de lípidos de microalgas ensayadas coinciden con los estándares preestablecidos por la Ley de Biocombustibles, por lo cual podrían utilizarse como materia prima para biodiesel. Valores de PCS de hasta 3650 cal.g -1. Se obtuvieron niveles aceptables de xantinas, entre un 15-20% (no caracterizadas), lo cual es un punto importante, ya que la extracción y purificación de las mismas agrega valor al sistema sin modificar el PCS y su utilización como combustible.

26 Avance de resultados La biomasa tanto fresca como residual (pos-extracción de lípidos) fue utilizada para el estudio de generación de biogás, con o sin adición de glicerina como sustrato fermentable, obteniéndose buenos rendimientos en términos de cantidad y calidad. Por otro lado, se estudió el crecimiento de microalgas en efluentes urbanos pretratados. Se concluyó que el agua proveniente de las últimas etapas del tratamiento de efluentes (efluentes urbanos pre-tratados), rica en N y P, es factible de ser utilizada para el cultivo de microalgas, obteniéndose productividades significativas de biomasa y lípidos en términos de cantidad y calidad. Los datos obtenidos son comparables con otros de la literatura, obtenidos a partir de cultivos monoespecíficos y de consorcios, pero bajo condiciones axénicas y controladas (esterilización).

27 NUESTROS LABORATORIOS

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32 Emprendimiento público-privado Grupo a-oil, UNCUYO, FUNC, E-Traders, GECOR S.A. Planta Piloto en RíoIII, Córdoba El objetivo del PILOTO es ensayar y caracterizar los procesos de cultivo, cosecha y secado de biomasa de microalgas a escala industrial, incluyendo los procesos de disolución de dióxido de carbono en agua. El PILOTO no tiene un objetivo productivo

33 Escalado del cultivo Estanques primarios 1:10 Estanques 1:10 secundarios Estanques productivos Módulo alimentación Lay Out planta piloto 0.5Ha

34 Diagrama de flujo

35 Muchas gracias por su atención! Mic. Carolina Belén García Dra. Stela Maris da Silva Dr. Jorge Barón Proyecto Microalgas para Biocombustibles IMD - ECT UNCUYO MENDOZA. ARGENTINA