Producción de bio-diesel a partir de Algas El bio-diesel es un combustible que consiste en un ester monoalquílico, el cual puede ser obtenido de aceites orgánicos, vegetales o animales a través de un proceso denominado transesterificación (Demirbas, 2007). La reacción química es la siguiente: CH 2 OCOR (Triglicérido) + 3 CH 3 OH (Metanol) C 3 H 8 O 3 (Glicerina) + 3 COOCH 3 R (Metil Ester-Biodiesel) De esta forma un triglicérido es transformado en bio-diesel, en presencia de un catalizador y de una base, usualmente hidróxido de potasio (Christi, 2007; Demirbas, 2007). Un exceso de metanol es utilizado para forzar la reacción hacia la derecha. Luego el exceso de metanol es recuperado y re-utilizado. La densidad energética del bio-diesel es comparable a la del diesel a base de petróleo. Mientras que el poder calórico del diesel a base de petróleo es 42.7 MJ/kg, los valores para el biodiesel varían dependiendo de la fuente de biomasa involucrada. Normalmente, el bio-diesel derivado de aceites vegetales, como la colza o la soja, tiene un poder calórico de 37 MJ/kg, mientras que el bio-diesel derivado de algas alcanza los 41 MJ/kg (Rakopoulos et al., 2006; Xu et al., 2006). Dentro de las fuentes utilizadas para la obtención de aceite vegetales podemos encontrar a las Plantas Verdes y a las Algas. Pero según acuerdan algunos especialistas, existe una mayor ventaja comparativa en la utilización de las Algas para la producción de bio-diesel, con respecto a las Plantas Verdes. Esta ventaja radica en la alta eficiencia fotosintética de las Algas. Es así, que las pruebas de varias plantas piloto muestran que las producciones anuales de aceites a base de Algas son mucho mayores, entre 2-550 superiores que para cualquier otro tipo de cultivo (Chisti, 2007). Las Algas, presentan además ciertas ventajas con respecto a las Plantas Verdes: Al ser un grupo de organismos netamente acuáticos no requieren de tierra para su cultivo, y por tanto no compiten con ningún otro cultivo por un recurso limitante, la tierra. Aún si fuera necesario su cultivo sobre la tierra, este podría hacerse en zonas marginales, de ningún o escaso uso alternativo. El agua utilizada en los cultivos de algas puede ser dulce o salada, y si es de este segundo tipo, la concentración de sales puede ser dos veces la concentración del agua marina. Esto significa que tampoco competirían por el recurso, también limitado, del agua dulce (Brown & Zeiler, 1993; Aresta et al., 2005). Las Algas tienen una mucha mayor capacidad de absorber CO 2 con respecto a las Plantas Verdes, sin sufrir la inhibición del proceso fotosintético bajo condiciones de intensa incidencia lumínica. Página 1 de 11
La razón por la cual las Algas son mucho más eficientes en la producción de aceites, puede ser atribuida a varios factores. Entre ellos, y tal vez el más importante, es la ausencia de estructuras de sostén complejas, las cuales requieren de grandes aportes de compuestos químicos y energía para su construcción. De esta forma tanto la materia como la energía, pueden ser derivadas directamente a la producción de biomasa. Las algas que son generalmente utilizadas en la producción de bio-diesel pertenecen al grupo de las Algas Verdes, que es un grupo de algas mayormente unicelulares, acuáticas todas, tanto de agua dulce como de agua salada. Este grupo, a su vez, se caracteriza por poseer un tipo de célula denominada eucariota, la cual entre otras cosas, le permite alcanzar elevadas tasas de crecimiento poblacional, en períodos relativamente cortos (pueden duplicar su tamaño poblacional en el curso de 24 horas). Las algas verdes tienen un importante contenido de lípidos, con frecuencia por encima del 50 % (Schneider, 2006; Christi, 2007). De esta forma, su gran capacidad de aumentar su tamaño poblacional a una elevada velocidad, junto con su alto contenido de lípidos, haría de estas algas fuentes ideales para la producción de bio-diesel. Especies Contenido de aceites (% en base a peso seco) Chlorella sp. 28-32 Nitzschia sp. 45-47 Nannochloropsis sp. 31-68 Schizochytrium sp. 50-77 Cuadro 1. Porcentaje de contenido de aceites en algunos géneros de Algas. Fuente: Christi (2007) A pesar de que los lípidos son naturalmente producidos por las Algas, bajo ciertas condiciones, su producción puede ser estimulada y estos almacenados en mayores concentraciones. Normalmente esto ocurre cuando las células son expuestas a condiciones de stress, como condiciones anóxicas, bajas densidades de nutrientes como el nitrógeno o el fósforo, o temperaturas o niveles de incidencia de luz extremos. Aunque la fijación de dióxido de carbono no es detenida, las células aumentan considerablemente el almacenaje de lípidos, como mecanismo de supervivencia. El método artificial más común para inducir el almacenaje de lípidos es disminuir el suministro de nitrógeno, lo cual produce que las células detengan su división y comiencen a almacenar su energía en forma de lípidos. Hay reportes que este método permitiría duplicar el contenido seco de lípidos en varias especies de Algas como Botrytococcus braunii (Christi, 2007). Rendimientos de aceites por parte de las Algas Se estima que la producción anual de aceites por parte de las algas, podría rondar los 90.000 litros por hectárea; frente a los 450 litros de aceite por hectárea que produce la soja, o los 1.200 litros por hectárea que produce la canola o los 6.000 litros por hectárea que produce la palma (Schneider, 2006; Haag, 2007; Christi, 2007). Además, luego que ha sido completada la extracción del aceite, la biomasa sobrante podría ser utilizada como alimento balanceado para pollos, cerdos o ganado (Schneider, 2006; Haag, 2007). Página 2 de 11
CO 2 H 2 O Luz solar Cultivo de algas bajo condiciones normales O 2 Reducción de la concentración de Nitrógeno Producción y acumulación de lípidos y aceites Prensado mecánico con solventes Separación de biomasa, lípidos y aceites CH 3 OH (Metanol) Transesterificación Metil-estér o Bio-diesel Glicerina Figura 1. Proceso de obtención de bio-diesel a partir de las algas. Fuente: Van Dujin & Póstuma (2008) Página 3 de 11
Sistemas de producción de bio-diesel a base de aceite de Algas Actualmente, el método más ampliamente utilizado para el cultivo de algas, con fines para la producción de bio-diesel, es el sistema de piletas abiertas. Consiste básicamente, en un sistema de múltiples piletas abiertas de diferentes formas y profundidades. Ha mostrado ser económicamente viable, ya que la construcción y operación de las piletas abiertas resulta sencilla y barata (Weissman et al., 1988). Sistema de piletas de conducción abiertas Al diseño de piletas abiertas más ampliamente utilizado, se lo denomina sistema de piletas de conducción abierta, el cual consiste básicamente en una grilla rectangular equipada con canales ovalados intercomunicados y abiertos. Una corriente continua de agua, impulsada por un sistema de paletas, atraviesa el sistema de piletas, permitiendo bajos condiciones favorables una producción de 10-25 gr/m 2 /diarios de algas. Existen diferentes especies y variedades de algas que pueden ser utilizadas en la producción de bio-diesel en los sistemas abiertos. Su cultivo depende fundamentalmente de las correctas condiciones de ph y la salinidad del agua. A pesar de su sencillez y bajo costo, el sistema de piletas de conducción abierta tiene algunas desventajas. Ya que opera a cielo abierto, el agua que atraviesa continuamente el sistema sufre evaporación. Por tanto nuevos volúmenes de agua deben ser continuamente añadidos con el objetivo de mantener un nivel de agua constante. Sistema de piletas de conducción cerradas. Los Foto-bio-reactores Los sistemas de conducción cerrados, conocidos también como foto-bio-reactores, presentan numerosos ventajas frente a los sistemas abiertos. Al no operar a cielo abierto, el agua no se evapora y sale fuera del sistema. Incluso, según los estudios de Pulz & Gross (2004), su productividad puede quintuplicar, en un espacio más reducido, a los sistemas abiertos. A pesar de esto tienen algunas restricciones, sobre todo en lo que es la utilización obligada de materiales transparentes como el vidrio o plásticos duros, lo cual permite aumentar la eficiencia de la fotosíntesis. Además es necesaria una bomba que bombee y mezcle el cultivo, impidiendo la sedimentación e incrementando la distribución de CO 2 y O 2. El diseño de los sistemas cerrados es muy similar al diseño de los sistemas cerrados de producción foto-biológica de hidrógeno. En este sistema, el cultivo de algas es bombeado a través de un sistema transparente rectangular o tubular con el objetivo de que el cultivo capte la mayor cantidad de luz, a fin de realizar lo más eficientemente posible la fotosíntesis. De esta forma, los foto-bio-reactores son diseñados de forma que la luz atraviese y se distribuya sobre una gran superficie, haciendo la relación superficie/volumen lo mayor posible. Página 4 de 11
La cosecha de las algas A diferencia de los sistemas de producción foto-biológica de hidrógeno, en los sistemas de producción de bio-diesel las algas deben ser separadas y recolectadas. Pero en contraste a un fotobio-reactor utilizado para la producción de hidrógeno, donde el hidrógeno es continuamente recolectado bajo condiciones anaeróbicas, el producto final son las algas en si. Existen numerosas técnicas disponibles para la separación de las algas del agua, entre ellas floculación, el micro-filtrado y la centrifugación. La efectividad de cada método depende mucho de la forma y tamaño de las algas (Benemann & Oswald, 1996; Divakaran & Sivasankara, 2001). El siguiente y último paso en la producción de bio-diesel es la extracción de aceites a partir de la pasta sobrenadante de algas. Siendo la forma más eficiente, la utilización de diferentes tipos de solventes, a partir de cual se extraen aceites y biomasa como sub-producto. La biomasa sobrante puede ser utilizada como alimento para animales, ya que contiene un gran porcentaje de proteínas, carbohidratos y otros nutrientes. Otra opción sería utilizarla como material orgánico para alimentar un digestor para la producción de metano, que puede ser a su vez utilizado en la producción de energía eléctrica (Christi, 2007). Del método utilizado en la extracción de aceite, depende en gran medida la viabilidad de la producción de bio-diesel a base de aceite de algas, ya que se trata de un proceso sumamente costoso. Hasta la actualidad se conocen al menos 6 métodos para la extracción de aceites (Van Dujin & Póstuma, 2008): 1) Método de prensa: este utiliza simplemente la prensa mecánica para extraer el aceite. Muchas veces es complementado con la aplicación de solventes que permiten eficiencias de hasta el 75 %. 2) Método de extracción de fluidos supercrítica: en este proceso, el dióxido de carbono (CO 2 ) es licuado y calentado bajo presión con el objetivo que actué como solvente para la extracción de aceites. A pesar que las eficiencias alcanzadas están cercanas al 100 %, es necesaria la fuerte inversión en maquinaria especial. 3) Método de solvente con hexano: es un método relativamente barato, en donde el hexano actúa como solvente. Sin embargo, el hexano es muy inflamable y utilizarlo en grandes concentraciones es muy peligroso. Su eficiencia puede alcanzar el 95 %. 4) Método del shock osmótico: la osmosis es un proceso biológico por el cual el líquido contenido dentro de la célula genera una presión sobre las membranas y paredes celulares. Cuando esta presión se ve interrumpida, las membranas y paredes de la célula pueden romperse y el aceite verse liberado. 5) Método enzimático de extracción: las enzimas pueden ser utilizadas para degradar las paredes celulares. Aunque por el momento este método require de más investigación y no esta disponible en el mercado. Página 5 de 11
6) Método de extracción asistida por ultra-sonido: un aparato de ondas de ultrasonido es utilizado con el objetivo de crear burbujas de cavitación en el solvente. La explosión de esas burbujas en la cercanía de las paredes celulares puede provocar su ruptura y la liberación del aceite contenido. Producción Foto-biológica de Hidrógeno a partir de Algas y Cianobacterias La producción biológica de hidrógeno por organismos fototróficos a partir de residuos orgánicos, como los contenidos en las aguas cloacales, es una prometedora opción que permitiría encadenar la reducción de la contaminación en las aguas, con la producción de bio-energía. Entre los organismos fototróficos más importantes, podemos encontrar algunas especies de Microalgas y Cianobacterias, las cuales pueden utilizar la luz solar como fuente de energía y al dióxido de carbono (CO 2 ) como fuente de carbono. Los organismos fototróficos, pueden ser clasificados en foto-autótrofos, las cuales no requieren una fuente de carbono adicional, o foto-heterótrofos, los cuales a pesar de tener la capacidad de utilizar a la luz como fuente de energía, requieren de una fuente adicional de compuestos orgánicos de carbono. La Bio-fotolisis Producción Foto-autotrófica de Hidrógeno (H 2 ) Ciertas Microalgas y Cianobacterias son capaces de utilizar la luz solar para transformar el dióxido de carbono (CO 2 ) en compuestos orgánicos ricos en energía [Cn(H 2 O)n], utilizando al agua como sustrato adicional. La ruta (A) normal que utilizan las algas foto-autotróficas es la siguiente: Ruta A: CO 2 + H 2 O + luz solar [Cn(H 2 O)n]+ O 2 También, bajo condiciones anaeróbicas, las microalgas pueden producir H 2, a través de la fotolisis del agua, utilizando a la luz solar como fuente de energía. Esta reacción es catalizada por la hidrogenasa, una enzima extremadamente sensible al oxígeno, un sub-producto de la fotosístesis (Ruta B): Ruta B: 4H 2 O + luz solar 2O 2 + 4H 2 El cuello de botella en la producción de hidrógeno durante el proceso directo de biofotolisis, es que la enzima responsable de la producción de hidrógeno (la hidrogenasa) es inhibida por el oxígeno producido durante la reacción (se define a la eficiencia de este proceso fotoquímico, como la fracción de energía lumínica que es almacenada en el hidrógeno producido). Como consecuencia de esto la eficiencia de este proceso foto-químico es mucho menor (<1% de la energía lumínica total almacenada) que lo teóricamente posible (10% de la energía lumínica total almacenada). Página 6 de 11
Por esta razón numerosas variantes a este proceso están actualmente bajo investigación y desarrollo. En pocas palabras, el objetivo es prevenir la inhibición de la hidrogenasa, y por tanto la producción de hidrógeno, separando en el tiempo o en el espacio la producción de hidrógeno de la obtención de oxígeno. Una alternativa viable a este proceso, en donde intervienen también diferentes variedades de Micro-algas y Cianobacterias, se la denomina Bio-fotolisis indirecta. (a) 6 H 2 O + 6 CO 2 + luz solar C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 (Micro-alga) (b) C 6 H 12 O6 + 2 H 2 O 4 H 2 + 2 CH 3 COOH + 2 CO 2 (Cianobacteria) (c) 2 CH 3 COOH + 4 H 2 O + luz solar 8 H 2 + 4 CO 2 Estequiometría final: 12 H 2 O + luz solar 12 H 2 + 6 O 2 (Bio-fotolisis indirecta) El cuelo de botella en la producción foto-biológica de hidrógeno es el área necesaria para recolectar la luz solar. Ya que la producción potencial de energía a partir de la producción fotobiológica de hidrógeno es calculada a partir de la cantidad de luz solar incidente. Foto-bio-reactores Una planta (foto-bio-reactor) destinada a la producción foto-biológica de hidrógeno debe cumplir simultáneamente con una serie de requisitos: 1) Ya que el hidrógeno debe ser recolectado, el foto-bio-reactor debe ser un sistema cerrado. 2) Ya que debe ser posible mantener un monocultivo por un tiempo prolongado, la esterilización del foto-bio-reactor debe ser rápida y práctica. 3) Debe utilizar la luz solar como fuente de energía 4) Ya que la productividad de un foto-bio-reactor es limitada por la cantidad incidente de luz, la relación entre la superficie y el volumen debe ser alta 5) Ya que las eficiencias foto-químicas son bajas (10 % teórico), y tienden a decrecer a altas intensidades de luz, es importante diluir y distribuir la luz lo mayormente posible a través del volumen del reactor o a través del mezclado a altas tasas del monocultivo, para que las células solo estén expuestas a la luz por un corto período de tiempo. Página 7 de 11
Rendimientos energéticos de los Foto-bio-reactores A un nivel máximo de eficiencia de conversión de luz solar (10 %), un proyecto de un fotobio-reactor de 1.000 hectáreas en los Países Bajos podría producir teóricamente 21.300 toneladas de hidrógeno molecular por año, lo cual es equivalente a 3 PJ (3*10 15 J). Un sistema de las mismas características en el sur de España o en el desierto de Australia podría producir teóricamente 4,6 PJ y 5,23 PJ de energía a base de hidrógeno por año, dada la mayor incidencia relativa de la luz solar en estas áreas. Estas estimaciones mostrarían que la producción potencial de energía por hectárea partir de los sistemas foto-biológicos, es 10 veces mayor que la producida a partir de algunos cultivos agroenergéticos como el Miscanthus sp., cuya producción potencial de energía es de aproximadamente 0,3 PJ por cada 1.000 hectáreas. Una ventaja adicional, es que los sistemas foto-biológicos de producción de energía pueden producir hidrógeno limpio (con entre un 10-20 % de CO 2 adicional), el cual puede ser transportado fácilmente y usado directamente en las células de combustible de hidrógeno. Análisis económicos de los Foto-bio-reactores Aunque un número limitado de análisis económicos de foto-bio-reactores han sido realizados hasta la actualidad, existen algunos estudios preliminares como el de Benemann (2001), para un sistema de 200 hectáreas de bio-fotolisis indirecta por microalgas, el cual compromete 140 hectáreas de piletas abiertas, 14 hectáreas de foto-bio-reactores y una producción de energía equivalente a 1,2 GJ por año (al 90 % de la capacidad de planta), cuyos costos fueron estimados como se detallan a continuación: Costo total del capital requerido: US$ 43 millones Gastos operativos: 12 US$ millones/año. Costo piletas: 6 US$/m 2. Costo foto-bio-reactor: 100 US$/ m 2. Costo de producción de hidrógeno: 10 US$/GJ. Tredici et al. (1998) también realizó un estudio reducido y preliminar de costos para un sistema a gran escala (>100 hectáreas) de bio-fotolisis algal o cianobacterial en un reactor tubular (NHTR), de los cuales algunos costos se detallan a continuación: Costos de foto-bio-reactor NHTR: 50 US$/m2. Costo de producción de hidrógeno: 15 US$/GJ. De esta forma, las estimaciones preliminares de producción foto-biológica, estiman los costos de producción a gran escala a 10-15 US$/GJ. Es por eso que en la actualidad se continua avanzando en la I&D y la evaluación de la viabilidad económica de este tipo de proyectos. Página 8 de 11
Producción Foto-heterotrófica de Hidrógeno (H 2 ) La habilidad en la fijación de N 2 por Bacterias o Cianobacterias foto-heterótrofas es catalizada por la enzima nitrogenasa. Esta enzima cataliza a su vez la evolución del H 2, particularmente en la ausencia de N 2. La reacción es la siguiente: N 2 + 8 H + + 8e- + 16 ATP 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 P i La conversión del sustrato orgánico (en el este caso acetato) a hidrógeno demanda energía, la cual es obtenida a partir de la luz solar: C 2 H 4 O 2 (liquido) + 2 H 2 O (liquido) + luz solar 2 CO 2 (gaseoso) + 4H 2 (gaseoso) La nitrogenasa es altamente sensible al oxígeno, y es inhibida por el amonio. Foto-fermentación Realizado por un grupo de Bacterias y Algas, este proceso consiste en la transformación de algunos compuestos orgánicos, como el ácido acético (CH 3 COOH), en hidrógeno (H 2 ) y dióxido de carbono (CO 2 ) con el aporte energético proveniente de la luz solar. CH 3 COOH + 2 H 2 O + luz solar 4 H 2 + 2 CO 2 (Foto-fermentación) Esta reacción toma lugar bajo condiciones anaeróbicas y puede combinarse con la fermentación oscura del hidrógeno, realizada por diferentes tipos de Bacterias. C 6 H 12 O 6 + 4H 2 O 2CH 3 COO - + 2HCO 3 - + 4H + + 4H 2 (Fermentación oscura del Hidrógeno) De esta forma la foto-fermentación puede ser utilizada en la segunda etapa en un proceso que consiste en dos-etapas en la producción de bio-hidrógeno, en donde todo el substrato orgánico es completamente convertido en H 2 y CO 2. La producción oscura de hidrogeno es un fenómeno que ocurre bajo condiciones anaeróbicas o anóxicas (es decir en ausencia de oxígeno). Durante este proceso, el sustrato orgánico sobre el que crecen diferentes y variados tipos de bacterias, sufre una gradual degradación a través de un proceso oxidativo, el cual genera y libera electrones. Con el fin de mantener la neutralidad electrónica estos electrones deben ser cedidos a un aceptor de los mismos, en este caso hidrógeno molecular (H 2 ) el cual finalmente se reduce. Entre algunos de los microorganismos capaces de producir hidrógeno molecular podemos citar algunos anaerobios estrictos como: Clostridia sp., Pyrococcus sp., Anaerocellum sp., Caldicellulosiruptor sp., Clostridium sp., Dictyoglomus sp., Fervidobacterium sp., Spirocheta sp., Thermatoga sp. y Thermoanaerobacter sp. Entre los anaerobios facultativos: Enterobacter sp. y Citrobacter sp. Página 9 de 11
Rendimientos energéticos en la Foto-fermentación A pesar que la capacidad de fermentación de compuestos orgánicos, fundamentalmente carbohidratos (ya que desde un punto de vista termodinámico se prefiere la conversión de carbohidratos a hidrógeno y ácidos orgánicos, ya que se obtiene el mayor rendimiento de moles de hidrógeno por moles de sustrato involucrados), es ampliamente compartida por una multiplicidad de organismos, los rendimientos obtenidos varían considerablemente dependiendo del proceso involucrado. De esta forma, pueden obtenerse desde 4 moles de hidrógeno por cada mol de glucosa que ingresa al sistema, a menores rendimientos, de 2 moles de hidrógeno o menos por cada dos moles de glucosa que ingresan. En este sentido, se está actualmente trabajando en líneas de I&D para la producción de hidrógeno a partir de material ligno-celulósico. Análisis económicos en la Foto-fermentación En base a la literatura disponible, la mayoría de los estudios económicos indican que la producción de hidrógeno (H 2 ) en base ala foto-fermentación ronda los 10-15 Euro/GJ. Sin embargo estas estimaciones son realizadas en base a suposiciones optimistas y preliminares. Intentan identificar en la estructura de costos los ítems más importantes a tener en cuenta en la producción de hidrógeno (H 2 ). Es claro entonces la necesidad de avanzar en la disminución de costos, en la optimización de la eficiencia foto-sintética y en I&D. Grupos que estarían trabajando en Argentina Dr. Jorge Barón, Instituto CEDIAC, Universidad Nacional de Cuyo Dra. Albertina Moglioni, Profesora Adjunta de la Cátedra de Química Medicinal, Facultad de Farmacia y Bioquímica- Universidad de Buenos Aires Dra. Mirta Daz & Lic. Daniela Royon, Universidad Nacional de Salta Ing. Daniela Romano, Directora del Grupo de Energías Renovables, Facultad de Ingeniería- Universidad de Buenos Aires Página 10 de 11
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