Panorama Acuicola 

English | Español

Microalgas para la producción de biocombustibles y otras aplicaciones:una revisión.

Artículos y entrevistas21 de abril de 2010

El biodiesel se produce a partir de vegetales comestibles y no comestibles, y de grasas animales. Puesto que los aceites vegetales pueden ser utilizados para consumo humano, se puede generar un incremento en el precio de aceites comestibles, provocando que aumentara el costo del biocombustible y desalentando su uso, aún cuando tiene ventajas comparativas con el disel. y desalentando su uso, aún cuando tiene ventajas comparativas con el diesel.


Para no competir con los aceites vegetales comestibles, reducir los requerimientos de tierras cultivables, reducir impactos ambientales y para asegurar un mismo nivel de rendimiento, debe ocurrir una transición a una segunda generación de fuentes de biocombustible, como pueden serlo las microalgas, que no se asocian al consumo humano. Se requiere de una gran inversión en investigación y desarrollo, así como de la aplicación de políticas y estrategias adecuadas.

Las microalgas en laproducción de biocombustible.

Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que crecen rápidamente gracias a su estructura unicelular, como las algas verdes (Chlorophyta) y las diatomeas (Bacillariophyta). Algunas han sido estudiadas con propósitos farmacéuticos, para consumo humano y como fuente de energía. Son fáciles de cultivar, pueden crecer con pocos cuidados utilizando agua no apta para consumo humano y es fácil obtener sus nutrientes, por ejemplo, de aguas residuales.

Las microalgas se reproducen mediante la fotosíntesis para convertir luz solar en energía química, completando un ciclo de vida regularmente.

Pueden crecer en prácticamente todas partes, requiriendo simplemente luz solar, nutrientes sencillos, y suficiente aireación. Se pueden adaptar a vivir en una gran variedad de condiciones ambientales, y pueden alcanzar hasta un 30% de contenido de aceite en peso húmedo.

Las microalgas pueden ser la materia prima para combustibles renovables como el biodiesel, el metano, el hidrógeno y el etanol. Estos biocombustibles no contienen azufre y se desempeñan tan bien como el diesel del petróleo, además de que reducen emisiones de materia particulada, CO e hidrocarburos.

Las microalgas pueden remover el CO2 de las emisiones de gases de la industria para producir grasas, ácidos grasos poli-insaturados, aceite, tintes naturales, azúcares, pigmentos, antioxidantes; después de la extracción; la biomasa algal puede ser procesada para obtener etanol, metano y al final puede utilizarse como fertilizante orgánico debido a su proporción de N:P.

En los últimos 50 años se ha llevado a cabo una extensa investigación en microalgas y en cómo pueden ser utilizadas en una amplia variedad de procesos. Se concluye que su uso en la producción de biocombustible de bajo costo es técnicamente factible, pero aún se requiere aplicar investigación y desarrollo a largo plazo para alcanzar la producción necesaria. Los precios a la alza del petróleo crudo convergen con la urgencia en la reducción de emisiones contaminantes y el efecto invernadero, dando lugar al interés en la producción de biocombustibles partiendo de las microalgas.

El mercado potencial de biocombustibles rebasa con mucho la disponibilidad de aceites vegetales; incluso la superficie cultivable no basta para cubrir la demanda mundial, y el punto no se encuentra en perder biodiversidad por el desmonte de selvas, ni reducir las cosechas destinadas al consumo humano.

El contenido promedio de lípidos en las microalgas alcanza el 70%. Las especies más comunes (Chlorella, Crypthecodinium, Cylindrotheca, Dunaliella, Isochrysis, Nannochloris, Nannochloropsis, Neochloris, Nitzschia, Phaeodactylum, Porphyridium, Schizochytrium, Tetraselmis) tienen niveles de aceite de 20 a 50%. También es significativa la composición en ácidos grasos, ya que tienen efecto en las características del biocombustible producido.

En rendimiento en aceite de las microalgas es mayor que el de los vegetales. El maíz puede producir 172 litros de aceite/ha/año utilizando 66 m2/año/kg biodiesel; el rendimiento del aceite de palma es de 5,366 L en 2 m2, en contraste con las microalgas que producen 136,900 litros en solamente 0.1 m2

El proceso de producción de biocombustible parte de una unidad de producción que determinará la viabilidad financiera, donde las microalgas crecerán; continúa con la separación de las células del medio líquido de cultivo y con la subsecuente extracción de lípidos. De aquí se produce el biocombustible mediante una reacción de transesterificación. Se han seguido otros procesos como el rompimiento (“cracking”) térmico o pirólisis, que induce a la descomposición térmica de triglicéridos y otros compuestos orgánicos en moléculas simples, como alcanos, alquenos, sustancias aromáticas y ácidos carboxílicos.

La figura 1 muestra un esquema de las etapas en la producción de biocombustible algal, iniciando con la selección de la especie de microalga con base en las condiciones locales, el diseño y la implementación del sistema de cultivo. Continúa con la cosecha, el procesamiento y extracción de aceite para el suministro de materia prima a la unidad productora de biocombustible.

La selección del sitio dependerá de la demanda y suministro de agua, de la salinidad y propiedades químicas, la topografía y geología del terreno, la propiedad del mismo, las condiciones climáticas (temperatura, evaporación, precipitación) y la disponibilidad de fuentes de nutrientes y carbono. Es determinante definir si la operación será en forma masiva o continua, y si los sistemas serán abiertos o cerrados.

Estas decisiones dependerán a su vez de la especie seleccionada y de la posibilidad de combinar el crecimiento algal con una estrategia de ontrol de contaminación de alguna ndustria, como sería es el caso de la emoción de CO2 de emisiones gaseosas, del nitrógeno y fósforo de aguas residuales.

Para aumentar la biomasa, las microalgas (40-50% de carbono) dependen del suministro de carbono y luz para completar el proceso de fotosíntesis.

Las microalgas pueden cambiar su estructura interna y excretar compuestos para hacer disponibles los nutrientes o para limitar el crecimiento de competidores; pueden adoptar un metabolismo autotrófico, heterotrófico o mixotrófico, como lo hacen algunas cepas de Chlorella, Haematococcus y Spirulina. Los nutrientes son vitales para el crecimiento algal, como lo es el equilibrio de los parámetros; la luz y la temperatura son los factores abióticos limitantes, seguidos de la concentración de O2 y CO2, el pH y la salinidad.

Los factores bióticos limitantes son la presencia de algas indeseables, levaduras, hongos, bacterias, virus y protozoarios.

Una turbulencia adecuada resuelve estos problemas; los efectos de éstos y otros factores en el crecimiento algal han sido ampliamente examinados.

La cosecha de algas consiste en la recuperación de la biomasa del medio de cultivo, lo que contribuye con el 20 al 30% del costo de producción de biomasa. En el caso de biocombustibles, el método de cosecha más común es la microfiltración (“microstraining”), la filtración en banda sinfín, la flotación y colecta de supernadante, y la sedimentación. La cosecha se facilita por la disponibilidad de mallas finas de poliéster; la calidad deseada del producto definirá el método de cosecha.

El procesado es la mayor limitación económica en la producción de productos básicos de bajo costo (combustibles y alimentos). Es complejo discutir sobre el procesado porque es muy específico y depende del producto final deseado. Los métodos más comunes para secar microalgas son el secado por aspersión, el de barril, la deshidratación por congelamiento y el secado al sol. Este último no es adecuado para producir alga en polvo, y el método de rocío no es rentable para la producción de biocombustible.

Después del secado continúa el rompimiento celular para liberar los metabolitos. Para la producción de biocombustible deben extraerse lípidos y ácidos grasos; normalmente se realiza una extracción por solventes de la biomasa liofilizada, método rápido y eficiente que reduce la degradación.

El biocombustible es una mezcla de ésteres de alquilos de ácidos grasos obtenidos mediante esterificación de aceites vegetales o grasas animales.

La materia prima de estos lípidos se compone de triglicéridos en un 90 a 98% de su peso.

Las microalgas pueden cultivarse en sistemas abiertos como lagos o estanques, y en sistemas cerrados en condiciones controladas llamados foto bio-reactores (FBRs). Los primeros sistemas son fáciles y baratos de construir y operar, pero están expuestos a las condiciones climáticas y ocupan mayor superficie; por su parte los FBRs aunque alcanzan mayores concentraciones celulares y biomasa, requieren de mayor inversión y costos de operación, que los hacen más atractivos para acuicultura que para producir biocombustibles. Los estanques y los FBRs no son tecnologías que compitan; donde está el reto es en la ingeniería genética.

Dependiendo de las condiciones locales y de los materiales disponibles se diseñará el sistema de cultivo que puede variar en forma, tamaño, materiales de construcción, pendientes y tipo de agitación, que definen la productividad, costo y vida útil. Los materiales e instalaciones van desde aireadores de paleta, compresores, canales de corriente rápida, columnas, cilindros, plástico, vidrio, cemento, PVC, fibra de vidrio, poliuretano, membranas de plástico, polietileno. En ocasiones se utilizan estanques rústicos para reducir gastos, pero habrá limo y sedimentos en suspensión.

Otras aplicaciones.

La producción de biocombustible y otros bio-productos a partir de microalgas puede ser más sustentable, barata y rentable si se combina con el aprovechamiento de aguas residuales y emisiones de gases; varios estudios demuestran que la mitigación biológica de CO2 es eficiente. Además, el nitrógeno y fósforo disponibles en aguas residuales es una fuente alterna de nutrientes.

Varios compuestos químicos de alto valor pueden ser extraídos de las microalgas, tales como pigmentos, antioxidantes, ß-carotenos, polisacáridos, triglicéridos, ácidos grasos y vitaminas, que son utilizados como ingredientes en los productos básicos farmacéuticos, cosméticos y nutricionales.

La elaboración de estos productos especiales ha promovido el desarrollo de PBRs a gran escala. Las microalgas contienen varios tipos de esteroles que previenen enfermedades cardiovasculares y degenerativas, y ofrecer protección contra el estrés oxidativo. El extracto de algunas microalgas incrementa las concentraciones de hemoglobina, reduce niveles de azúcar en la sangre y refuerza al sistema inmune.

Con mucho, las microalgas se han cultivado como alimento para especies comerciales marinas y dulceacuícolas, desde zooplancton (rotíferos, Artemia, copépodos), moluscos (larvas y adultos), y estadios juveniles de crustáceos y peces; las microalgas se utilizan también como alimento seco.

Para la mayoría de los organismos que se cultivan las microalgas son un alimento irremplazable. Se espera que en los próximos años se produzca biocombustible de manera rentable; a la fecha muy pocos lo han producido a partir de microalgas.

Se requieren cultivos comerciales y sistemas de cosecha a gran escala, con el objetivo de reducir costos. Estos procesos serán más económicos si se combinan con el uso de CO2 proveniente de emisiones gaseosas de la industria, con procesos de mejora de aguas residuales, y con la extracción de compuestos de alto valor. Se requiere aún de una considerable inversión en desarrollo tecnológico para que la producción de biocombustibles sea rentable.



Boletín de noticias


Design Publications

Contenido

Servicios en línea

Redes sociales

Otras publicaciones