Dr. Roberto Parra Saldívar Centro del Agua para América Latina y el Caribe ITESM r.parra@itesm.mx
Novel treatments for sustainable process in uncertain water resources The continuously increasing population and the resulting scarcity of the natural resources, including water, fuel and energy, are important drivers for the selection of sustainable environmental technologies and energy recovery systems.
Climate change In terms of both research and development, it is required an important investment in renewable energy sources to substitute the utilization of fossil resources as a way to reduce CO2 emissions, as well as more recent methods for increasing water availability.
Indicadores del cambio climático Intensidad de emisiones GEI El metano bsorbe 20 eces más adiación nfrarroja ue el CO 2 El óxido itroso bsorbe 00 veces ás adiación nfrarroja ue el CO 2
Gases con efecto invernadero (GEIs) Vapor de agua Dióxido de carbono Ozono Metano Oxido nitroso CFCs
Razón de calentamiento mundial, de una unidad de masa de un GEI a una unidad de masa de dióxido de carbono sobre un período de tiempo Dióxido de carbono (CO 2 ) 1 [unidad equivalente] Metano (CH 4 ) 21 Óxido nitroso (N 2 O) 310 HFC-23 11,700 HFC-125 2,800 HFC-134a 1,300 HFC-143a 3,800 HFC-152a 140 HFC-227ea 2,900 HFC-236fa 6,300 HFC-4310mee 1,300 CF 4 6,500 C 2 F 6 9,200 C 4 F 10 7,000 C 6 F 14 7,400 SF 6 23,900
Evolution of biofuels (LCA) First generation: from food products Second generation: from cellulose material Third generation: form specific cultures e.g. microalgae
Energy per sources in Mexico
Rutas de Transformación Biomass and energy Combustión Gasificación Pirólisis Licuefacción HTU Digestión Fermentación Extracción Oleaginosas Calor Electricidad Combustibles
Energy feedstock in Mexico
Drs. Sergio O. Serna-Saldivar, Roberto Parra, Porfirio Caballero y Carlos Rivera Departamento Biotecnología e Ingeniería de Alimentos y Centro del Agua para América Latina y el Caribe
Objetivo Proponer un sistema tecnológico, operativamente simple y de baja inversión que aproveche los efluentes de proceso para producción de biocombustibles Producción de etanol y biomasa, para usar como fuente de energía y alimento para animales y/o fertilizante orgánico, respectivamente.
Equipo de Trabajo del ITESM Dr. Sergio Othón Serna Saldívar (Líder): Experto en producción de energéticos renovables especialmente etanol. Dr. Roberto Parra Saldívar: Experto en diseño de bioprosesos y biotecnología blanca. Dr. Porfirio Caballero: Experto en química analítica y calidad ambiental Dr. Carlos Rivera: Experto en energía solar
PROYECTO REACTOR BIO-ETANOL CON ENERGÍA SOLAR Cátedra de Energía Solar y Termociencias Presentación de Avances M.C Juan Pablo Vargas Bautista Ing. Daniel Guerra Garcés Ing. José Angel Magaña Solana Ing. Leonel Peña Angeles Dr. Alejandro García Cuéllar Dr. Carlos Iván Rivera
1 2 6 7 3 5 Características del Reactor 4 Reactor Diámetro: 130 mm Altura: 250 mm Volumen: 3 lt Rotor a 500 rpm 1 Recipiente 2 Paletas deflectoras 3 Rotor 4 Intercambiador de Calor 5 Ingreso de burbujas de Aire 6 Termopar 7 Ducto para toma de muestras Manta Eléctrica Voltaje: 110 V Potencia: 110 W Reactor con la Manta Eléctrica
Características de los Colectores Solares Térmicos La eficiencia de los colectores solares térmicos está en función de la radiación solar disponible G (W/m2), la temperatura ambiente y la temperatura de operación. De igual manera la energía disponible depende de las horas de sol que se tenga disponibles en el día y de la estrategia de almacenamiento para las horas donde no se tenga energía solar disponible. Curvas de Eficiencia de los colectores solares térmicos F. Peuser, K.H. Remmers, M. Schnauss, Solar Thermal Systems, Solar Praxis AG Germany,
Análisis y Diseño de la Caldereta y Precalentadores del sistema de destilación solar etanol-agua Transferencia de Calor en Intercambiadores de Calor Shell & Tube Heat Exchanger Q gen = Uf * A * ΔT lg Evaporation inside the tube Ref. U. Jakob, 2005
Análisis Económico del sistema de destilación solar etanol-agua Distribución del costo de equipo para los tres flujos volumétricos analizados, cuya entrada posee 7% wt. de etanol.
High rates of CO2 conversion High rates of biomass and oxygen Water reuse and recycle Process improve water quality
Microbial metabolism Carbon and energy sources (substrates) Inorganic nutrients Organic nutrients (Growth factors) Carbon Leads to clasification
Clasification CO 2 Organic matter Spend more energy
INTRODUCTION TO MICROBIAL METABOLISM. Nutrients and growth factors Principal nutrients Minor nutrients Growth factors N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na and Cl Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu and Ni 1) amino acids, 2) nitrogen bases 3) vitamins
BACTERIAL GROWTH AND ENERGETICS. Bacterial reproduction. Generally, bacteria reproduce by binary fission. Generation time is the time required for each division, can vary from days to less than 20 minutes (2 n ). Rapid change in biomass concentration In wastewater treatment, it s limited by environmental limitations.
Process CO2 Recycled water Nutrients Water Biomass Harvest Biomass Biofuel Refining Algae oil Algae Biomass
Sustainability model Biofuel Carbon Stock Oxygen Fuel Food Calidad del agua
700 milion litres of jetfuel are required for the 2020
Better land use and higher rates of production (Potenciales y Viabilidad del Uso de Bioetanol y Biodiesel para el Transporte en México, SENER, Nov, 2006) Jatropha curcas: 5 ton/ha/year 2-2.2 thousands L of jetfuel 1 ha 2,200 L jetfuel Microalgae: 228 ton/ha/year 91-101 thousands L of jetfuel 1 ha 101,400 L jetfuel
Aim 2020 (700 ML jet fuel) Jatropha Equivalent to 3,500 Km2 Microalge 4,016 Km2 77 Km2 45 less surface usage!
Bio Synthethic Parafinic Kerosene (SPK) Commertial flight were carried out eficiently (Interjet, Aeromexico) No engine modification is required to use biospk. A 50% blend is allowed (BioSPK + turbosina). ASTM D7566-11, Specification for Aviation Turbine fuel containing synthesized hydrocarbons LCA resuted in a redution of 55% of GHG emitions.
Patents Número de Solicitud/Registro MX-a-2011-008773 MX/a/2011/012572 Título Patente / Derecho de Autor Fotobiorreactor para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos con iluminación controlada. Dispositivos de conversión de tanques a fotobioreactores altamente eficientes. Inventores Dr. Roberto Parra Saldivar Ing. Gibran S. Aleman Nava Dr. Roberto Parra Saldivar Alan Galán
2.5 TON CO2 = 1000L Biodiesel! 2 Toneladas de CO 2 1 Tonelada de Biomasa Transesterificacion 1 hectárea = 50,000 l/año CO 2 +Radiacion solar+sales+h 2 O BM +O 2 +Biocombustible
Remoción biológica de nitrógeno & fosforo
Nitrificación NITRÓGENO ORGÁNICO (Proteínas; urea) Descomposición bacteriana e hidrolisis NITRÓGENO AMONIACAL Asimilación NITRÓGENO ORGÁNICO (células bacterianas) NITRÓGENO ORGÁNICO (crecimiento neto) O 2 Lisis y auto-oxidación NITRITOS (NO 3ˉ ) O 2 NITRITOS (NO 3ˉ ) DENITRIFACIÓN NITRÓGENO GAS (N 2 ) Carbón orgánico
Procesos Alimentación de nitrato 1. Desnitrificación pre-anóxica Influente Anóxica Aeróbica/ nitrificación Efluente 2. Desnitrificación post-anóxica Retorno del lodo activado Lodos Influente Aeróbica/ nitrificación Anóxica Efluente Retorno del lodo activado Lodos
Implementación de un procesos integrados sostenibles de manejo de ríos ANTECEDENTES Aplicaciones, surge debido a las grandes oportunidades que ofrece la biotecnología en cuanto al Tratamiento y monitoreo de la calidad del agua VISIÓN Desarrollar Aplicaciones, usando la Biotecnología, que nos permitan Diferenciar los Productos, Servicios y Procesos (costo y atributos) ITESM - Monterrey ESTRATEGIA» Obtener conocimiento a través de Universidades, Centros de I+D y Proveedores, para la toma de decisiones» Exploración de áreas de oportunidad, mapeo de productos existentes, Investigación y Prospectiva
Implementación de Tecnologías para el Mejoramiento de la Calidad del Agua en cuencas MODELO OPERATIVO Interacción con Centros I+D e Inversionistas Nacionales e Internacionales I+D Estudio para Identificación problemas y oportunidades Análisis de factibilidad Técnica y Comercial Experimentación y Desarrollo Propuesta de proyectos clave Corto plazo (un año) Largo plazo (tres años) NTI y NPI Diferenciadores Mejorar la Calidad del Agua MONITOREO TRATAMIENTO EFICIENCIA CONSERVACIÓN ITESM - Monterrey
A world of opportunities
Project full title: SOLid CONversion Project acronym: SOLCON
Introduction Although many process are dealing with the waste e.g. incineration, confinement in septic tanks their aim is to destroy the solid substrate instead of utilize or transform it in to new products. Bioprocess technology for manufacturing novel product has been widely accepted a suitable way to transform nutrients from organic sources into valuable products.
Introduction However, the application of this technology to real problems is still not fully exploited due to the lack robust bioreactors or for the lack of an integrated approach.
Objetives From extreme microbes with potential to tribe on extreme environmental conditions, select optimal physiological conditions for biowaste utilization. Determine optimal bioprocess operation for 2 potential products from selected wastes. Investigate solid waste as substrate for production of enzymes and high value products. Investigate a cheap bioseparation process for high value products that can be coupe to the new prototype. Built a functional integrated system that can be use to bio-convert solid waste into energy, biomass and high value products with similar levels as observed on the lower scale tested.
New paradigm The bio-waste recycling is a suitable way for modern countries that in appropriate conditions will contributes not only to improve waste management, but also: b) Sustainable way for resources use c) Soil and water protection d) Renewable energy production e) Climate change mitigation f) Ensure food supply
Empresa en Incubación Tecnológico de Monterrey Agosto, 2010
Producción de enzimas para tratar efluentes específicos y biocombustibles de segunda generación Comercialización de Enzimas Tecnología de Inmovilización Enzimática Vender licencia de uso a productores de enzimas. Producción de tecnología de inmovilización para aplicaciones específicas
Patents Número de Solicitud/Registro MX/a/2011/11693 Título Patente / Derecho de Autor Dispositivo Bio-micro-electromecánico para el monitoreo y detección en tiempo real de contaminantes en solución. Inventores Rodríguez-Delgado M.M., Rendón A.A., Parra Saldivar R., and Martínez S.O.
Fuente: environment-green.com Benefits of the new technologies Savings and reductions Reduction on carbon foot print Transport Cost of WWT Water Products More water availability Renewable biofuels Food security High value products
Questions? e-mail: r.parra@itesm.mx