biocombustibles de microalgas - … · sensor piezo electrico 80 ml 80 ml helio 5 g l-1 nahco 3 120...

Raul Muñoz Torre Dpto. Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente

Universidad de Valladolid

BIOCOMBUSTIBLES DE

MICROALGAS

El potencial de la Biotecnología

Algal en Ingeniería ambiental

Biotecnología

Algal

Eliminación

de

Nutrientes

Estabilización

de DBO

Eliminación

Metales

Pesados

Biocombustibles

sostenibles

Biogas Biodiesel Etanol H2

Captura de

CO2

Test

Toxicidad

Producción de biogás a partir de

microalgas

Poder calorífico del CH4 = 55 KJ/g

Producción de biogás a partir de

microalgas

Rendimientos menores que para otros sustratos orgánicos

Mayor resistencia al ataque microbiano por la presencia de pared celular

Primeros estudios: C. Golueke, W. Oswald, H. Gotass. (1957) Anaerobic digestion

of algae Applied Microbiology 5(1), 47-55.

Producción de biodiesel a partir de

microalgas

Poder calorífico del aceite = 35.8 KJ/g

Producción de biodiesel a partir de

microalgas

Acumulación basada en crecimiento bajo limitación por nutrientes

(Toledo-cervantes y col. 2013. Bioresour. Technol)

Perfil de ácidos grasos varia

bajo limitación de nutrientes

Producción de bioetanol a partir

de microalgas

Hongos y levaduras como Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces

fragilis,Torulaspora y Zymomonas mobilis

US 5578472 A: Process and system for the production

of ethanol from microalgae (1996) https://register.epo.org/application?number=EP94114900&tab=main

Etanol = 30 KJ/g

Producción de bioetanol a partir

de microalgas

( Ho y col. 2013. Bioresour. Technol)

Producción de bioetanol a partir

de microalgas

( Ho y col. 2013. Bio. Technol)

( Chen y col. 2013. Biochem Eng. Jl)

Producción de H2 a partir de

microalgas

+ Combustible gaseoso con mayor poder calorífico (138 KJ/g)

+ No genera CO2 en su combustión

+ Alta eficacia de combustión y larga vida útil de motores

- Problemas de almacenamiento

- Alta explosividad

- Bajo rendimiento y bajas tasas de producción

PS II absorbs light and generates 2e-

Ferredoxin

Hydrogenase uses the 2e- from Fd to

generate H2 from 2H+

Producción de H2 a partir de

microalgas Producción de H2 a tasas menores que en sistemas bacterianos de fermentación

oscura

¿ Cómo surge el Boom por el diésel

de microalgas?

1556 citas!!

El Boom por el diésel de

microalgas

El Boom por el diésel de

microalgas

El Boom por el diésel de

microalgas

En 2007 el contexto era diferente…..

El Boom por el diésel de

microalgas

Gran número de compañías al calor de una altas expectativas !!

( Singh and Gu. 2010. Renew. Sust . Ener. Rev)

El Boom por el diésel de

microalgas

http://www.sapphireenergy.com/ Fase 1: 40 hectareas Fase 2 120 ha

El Boom por el diésel de

microalgas

Investigación básica

Pilotos 6 x 35 m2

Prototipos 2 x 500 m2

Demo 10 ha

Fase I

Fase II

El Boom por el diésel de

microalgas

Cuanta microalga puede ser producida por ha/año?

Cuanto aceite puede producirse por ha/año?

Cuanto cuesta el kg biomasa y por tanto el kg aceite?

El Boom por el diésel de

microalgas

El Boom por el diésel de

microalgas Productividades de microalgas en México entre 160-200 Tn/

Energía Solar (100 %)

Reflexión y Difracción en medio acuoso ( -10 %)

Energía Solar (90 %)

Radiación Fotosintéticamente Activa-PAR- ( 45 %)

Energía Solar (40.5 %)

Eficiencia Fotosintética (25 % PAR)

Energía Química (10.1 %)

Respiración ( -20 %)

Energía Química (8.1 %)

Fotoinhibición + Fotosaturación + Temperatura ( -60 %)

Energía Química (3.2 %)

4000 Kcal m-2 dia-1 (media anual) X 0.032 = 129 Kcal m-2 dia-1

129 Kcal/(5 Kcal g biomass-1) = 26 g algas / m2 / day

El Boom por el diésel de

microalgas

El Boom por el diésel de

microalgas

Necesidad de cumplir con estandares de Biodiesel:

Estandard EN 14214 en la Unión Europea

ASTM D 6751 en E.E.U.U

Aceite de microalgas: Alto contenido en ácidos grados poliinsaturados con 4 o más

dobles enlaces, que son más susceptibles de oxidación durante su almacenamiento.

La mayoría de los aceites no cumplirían los estándares Hidrogenación catalítica

parcial

Calidad del aceite producido

Cuanta superficie necesitaríamos

para..

Coste del cultivo de microalgas

CASO DE ESTUDIO: FOTOBIORREACTORES TUBULARES (Dept IQ, UAL)

Medio de Cultivo Fotobiorreactores

Centrifugación

Liofilización

Unidad de Control

Biomasa seca

Coste del cultivo de microalgas

Escalado para reducir costes

5,195,750.00 Total (€)

12,000.00 112,000.00 m3120.012.- Biomass storage

8,000.00 24,000.00 Kg/h20.011.- Weight station

8,000.00 42,000.00 Kg/h10.010.- CO2 supply unit

3,000.00 5600.00 m3/h3.09.- Harvest biomass pump

81,000.00 99,000.00 m3/h600.08.- Air blower

3,000.00 5600.00 m3/h3.07.- Harvest pump

3,000.00 5600.00 m33.06.- Harvest storage tank

3,000.00 5600.00 m33.05.- Medium storage tank

3,000.00 5600.00 m3/h3.04.- Medium pump

3,000.00 5600.00 m3/h3.03.- Medium filter unit

168,750.00 533,750.00 m3/h3.02.- Decanter

4,900,000.00 9850,000.00 m35.01.- Photobioreactors

Total costNo. of unitsCost €/und.CapacityDetail

5,195,750.00 Total (€)

12,000.00 112,000.00 m3120.012.- Biomass storage

8,000.00 24,000.00 Kg/h20.011.- Weight station

8,000.00 42,000.00 Kg/h10.010.- CO2 supply unit

3,000.00 5600.00 m3/h3.09.- Harvest biomass pump

81,000.00 99,000.00 m3/h600.08.- Air blower

3,000.00 5600.00 m3/h3.07.- Harvest pump

3,000.00 5600.00 m33.06.- Harvest storage tank

3,000.00 5600.00 m33.05.- Medium storage tank

3,000.00 5600.00 m3/h3.04.- Medium pump

3,000.00 5600.00 m3/h3.03.- Medium filter unit

168,750.00 533,750.00 m3/h3.02.- Decanter

4,900,000.00 9850,000.00 m35.01.- Photobioreactors

Total costNo. of unitsCost €/und.CapacityDetail

10000m2Total culture surface

490m3Total culture volume

100W/m3Power consumption

0.2v/v/minAir flow rate

0.41/dayDilution rate

162.0TM/yearBiomass production capacity

12h/dayOperation time

300day/yearOperation time

1.102g/LdayBiomass productivity

0.049m3/m2Ratio V/S

CASE STUDY

10000m2Total culture surface

490m3Total culture volume

100W/m3Power consumption

0.2v/v/minAir flow rate

0.41/dayDilution rate

162.0TM/yearBiomass production capacity

12h/dayOperation time

300day/yearOperation time

1.102g/LdayBiomass productivity

0.049m3/m2Ratio V/S

CASE STUDY

66.9%

13.0%

2.7%

17.4%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Depreciation Raw materials Utilities Labor

Photobioreactor cost, €/L 10.00 €

CO2 cost, €/kg 0.25 €

Labor 3.00

Medium cost, €/kg 0.50 €

Total production cost, €/kg 6.39 €

Coste del cultivo de microalgas

6.4 €

4.2 €

2.9 €

2.5 €

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4

Perc

enta

ge

0 €

1 €

2 €

3 €

4 €

5 €

6 €

7 €

Pro

duction C

ost,

€/k

g

Depreciation

Raw materials

Utilities

Labor

Cost

10 €/L 5 €/L 2 €/L 1 €/L

Influence of photobioreactor cost

Análisis de Costes:

2.5 €

2.2 €2.1 €

2.0 €1.9 €

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5

Perc

enta

ge

0.0 €

0.5 €

1.0 €

1.5 €

2.0 €

2.5 €

3.0 €

Pro

duction C

ost,

€/k

g

Depreciation

Raw materials

Utilities

Labor

Cost

0.25 €/kg 0.15 €/kg 0.10 €/kg 0.05 €/kg

Influence of CO2 cost

0.00 €/kg

Coste del cultivo de microalgas

COST ANALYSIS:

1.9 €

1.6 €

1.3 €1.2 €

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4

Perc

enta

ge

0.0 €

0.5 €

1.0 €

1.5 €

2.0 €

2.5 €

Pro

duction C

ost,

€/k

g

Depreciation

Raw materials

Utilities

Labor

Cost

3 2 1

Influence of labor

0.5

1.2 €

1.1 €

1.1 €

1.1 €

1.0 €

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5

Perc

enta

ge

0.9 €

1.0 €

1.0 €

1.1 €

1.1 €

1.2 €

1.2 €

1.3 €

Pro

duction C

ost,

€/k

g

Depreciation

Raw materials

Utilities

Labor

Cost

0.5 €/m3

Influence of culture medium

0.3 €/m3 0.2 €/m3 0.1 €/m3 0.0 €/m3

Fe

rtil

ize

rs

Wa

ste

w

ate

r

Coste del cultivo de microalgas

Después de 6 años…………

“Microalgae-based biodiesel is still expensive compared to fossil fuels”

Limitaciones a la producción comercial:

Fuente de CO2 de bajo coste cercana (centrales térmicas, cementeras)

Reciclado de nitrógeno y fosforo al cultivo de microalgas

Disponibilidad de agua para cultivo (¿en lugares con alta irradiación?)

Aplicación del concepto de biorefinería

Usar ingenieria metabolica para mejorar la acumulacion de lipidos y mejorar el

cosechado.

(Singh and Gu. 2010. Renew. Sust . Ener. Rev)

Después de 6 años…………

(Chisti. 2008. Trends in Biotechnol)

(Kruse and Hankamer 2010. Current

Opinion in Biotechnol)

(Chen et al. 2013. Biochen Eng. J)

(EuroOberv’ER 2011)

Gran Potencial de Aplicación en

Europa!!

Biogás a partir de microalgas

Pocos estudios relativos al potencial de producción del

biogás de las microalgas y condiciones óptimas de

ensayos BMP

Paredes celulares fuertes Bajas productividades de CH4

Biogás a partir de microalgas

S/I optima?? [Biomasa]

Especie de Microalgas

BMP de µalga

extraida

BIOGÁS PRE- TRATAMIENTO

MICROALGAS

Estrategia PROCESOS DE DISRUPCIÓN CELULAR

Mejorar la hidrolisis:

Solubilización de la materia

orgánica para hacer la microalga

mas biodegradable

Mejora de la digestión anaerobia de microalgas

Generación de

Electricidad

Pre-tratamientos de microalgas

Pre-

tratamientos

Químicos

Biológicos

Físicos

Hidrólisis ácida o Alcalina Ozonation

Homogenizadores de alta presión Molienda por impacto Molinos de bolas Ultrasonidos Centrifuga Lysat Irradiación Gamma

Térmico

Hidrólisis Térmica

Pretratamientos enzimáticos

Cuál es el pretratamiento de microalgas más

efectivo?

Biogás a partir de microalgas

Microalga A: Clamydomonas (40%), Scenedesmus (20%), Nannocloropsis (40 %)

Microalga B: Acutodesmus (58%), Oocystis (36%), Nitzchia (5%)

Microalga C: Microspora

3 microalgas diferentes:

Inóculo de digestores anaerobios de lodo:

Biogás a partir de microalgas

Alzate et al. (2012) Bioresour Technol.

Hidrólisis

Térmica (15’)

T1= 110 ºC (1.2 bar)

T2=140 ºC (3.2 bar)

T3= 170 ºC (6.4 bar)

Ultrasonidos

U1:10.000 KJ kgTS-1

U2:27.000 KJ kgTS-1

U3:40.000 Kj kgTS-1

U4:57.000 Kj kgTS-1

Biológico

500 mL in 2 L Bottles

B1= 12 h

B2= 24h

Biogás a partir de microalgas

PRE-TRATAMIENTOS DE BIOMASA ALGAL

Biogás a partir de microalgas

Nannocloropsis gaditana Liofilizada (80-90ºC)

% / kg DM No extraida (A) Aceite extraida (B)

Lipidos (%) 16,3 6,5

Carbohidratos(%) 20,6 23,0

Proteinas (%) 41,9 46,8

Solventes – E-OH (%) 0 1,5

Figure 1: Evolución de la productividad algal a relaciones S/I de 0.5 (), 1 () and 3 (▲)

Especie de microalgas importa Relación sustrato/inoculo optima= 0.5 Inhibición a S/I de 3

Biogás a partir de microalgas

Concentración óptima de 20 g kg TS-1

Figure 2: Evolución de la productividad algal a 3gTS/kg; (o), 10gTS/kg () and 20gTS/kg ();

Biogás a partir de microalgas

Hidrolisis Térmica fue el pre-tratamiento más efectivo Incubación Biológica reduce el Potencial Metanogénico Cantidad de Energía suministrada no fue α al ΔBMP

Biogás a partir de microalgas

Mayores velocidades de Producción de CH4 en microalga extraída Productividades finales similares

Biogás a partir de microalgas

Non-extracted 10gTS/kg Lipid extracted 10gTS/kg

♦SIR=0.5, SIR=1.0, ▲ SIR=3.0 ■

Más información: www.iqtma.uva.es/envtech http://etuva.blogspot.com.es/

Raul Muñoz: mutora@iq.uva.es

Composición Biogas

GC-TCD

P

Sensor Piezo

electrico

80 mL

80 mL

Helio

5 g L-1 NaHCO3

120 rpm

T = 35 ºC

[Microalga] = 10 g kg-1 S/I

• 0. 5

• 1

• 3

S/I =1 Concentraciones (g L-1)

• 3

• 10

• 20

[Microalgae] = 10 g kg-1 S/I = 1 Pre-tratamientos

• Hidrólisis Térmica

• Ultrasonidos

• Tratamiento Biológico

DQO

SV

NH4+

Microalga

Inoculo

Biogás a partir de microalgas