anteproyecto gordo y lau_v4
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ANTEPROYECTO ALGASTRANSCRIPT
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Evaluar el crecimiento de las microalgas Scenedesmus obliquus, y
Haematoccus pluvialis a diferentes temperaturas.
Anteproyecto del Trabajo de Grado
Investigadores
Laura Jaramillo Uparela
David Zapata Ruiz
Asesora:
Ana Cárdenas Orrego
Candidato a Msc. Ingeniera Química
Co-asesor:
Alex Saez Vega
Universidad EAFIT
Decanatura de Ingeniería
Departamento de Ingeniería de Procesos
2013
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Contenido
1. Planteamiento del problema..............................................................................4
2. Preguntas De Investigación...............................................................................6
3. Hipótesis..............................................................................................................7
4. Justificación........................................................................................................8
5. Objetivos............................................................................................................10
5.1. Objetivo general..........................................................................................................10
5.2. Objetivos específicos................................................................................10
5.3. Alcance del proyecto.................................................................................10
6. Marco teórico....................................................................................................11
6.1. Antecedentes..............................................................................................11
7. Marco teórico.......................................................¡Error! Marcador no definido.
7.1. Microalgas...................................................................................................13
7.2. Como afecta el gradiente de temperatura en la producción de biomasa
de las microalgas?...............................................................................................14
8. Materiales y métodos........................................................................................16
8.1. Área experimental......................................................................................16
8.2. Microalgas...................................................................................................16
8.3. Metodología.................................................................................................16
9. Presupuesto del proyecto................................................................................17
10. Cronograma...................................................................................................18
Referencias bibliográficas.........................................................................................19
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Índice de Tablas
Tabla 1. Presupuesto del proyecto..............................¡Error! Marcador no definido.
Índice de figuras
Figura 1. Cronograma de actividades 1.......................¡Error! Marcador no definido.
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Evaluación del crecimiento de diferentes cepas de microalgas a
diferentes temperaturas.
Estudiante de Pregrado: Laura Jaramillo Uparela, David Zapata Ruiz
Asesor: Ana Cárdenas Orrego
Entidades Participantes: Universidad EAFIT
Nombre de Grupos de Investigación Partícipes:
1. Planteamiento del problema
Uno de los principales problemas ambientales del siglo 21, a nivel mundial es la
emisión de dióxido de carbono a la atmosfera. Estas emisiones son generadoras de
gases de efecto invernadero (GEI) que provocan que la radiación infrarroja se
detenga en la atmósfera, por lo que se calienta la superficie de la Tierra y la parte
inferior de la atmósfera generando el 48,3% en el planeta.
La fuente de energía más utilizada en el mundo son los combustibles fósiles, el 86%
de la energía mundial procede de fuentes fósiles y su combustión es responsable
del 75% de las emisiones de co2 y contaminación ambiental en forma de desechos
químicos y biológicos
La región de América Latina y el Caribe es responsable de un alto porcentaje de las emisiones de dióxido de carbono a nivel mundial por el cambio de uso del suelo que se esta experimentando en los ultimos tiempos debido a cambios de las actividades economicas(Martinez Garcia, 2012).
En la última década el sector de la construcción ha experimentado un incremento del 1.7% y es el que más emisiones aporta, síntoma del aumento de población y del nivel de vida y tema de gran interés para investigaciones actuales (Naciones Unidas, 2009)
Así mismo uno de los principales problemas ambientales del siglo 21, a nivel mundial es la emisión de dióxido de carbono a la atmosfera (Martinez García, 2012), estas emisiones son generadoras de los gases de efecto invernadero (GEI) (Suebsiri, Wilson e
Tontiwachwuthikul, 2005), estos gases provocan que la radiación infrarroja se detenga en
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la atmósfera, por lo que se calientan la superficie de la Tierra y la parte inferior de la atmósfera (Echeverri Londoño, 2006). Por esta razón se ha visto la necesidad de incrementar los estudios relacionados con la solución de este problema y sobre todo en la forma más eficiente y efectiva para capturarlo y poder mitigar las emisiones al ambiente(Suebsiri, Wilson e Tontiwachwuthikul, 2005), para la captura de CO2, existen diferentes estrategias tales como absorcion por medio de la post combustion de monoetanolamida (MEA), almacenamiento subterráneo de dióxido de carbono y la captura de dióxido de carbono con microalgas (Cassidy, 2011).
Una tecnología prometedora es la captura biológica de CO2 con microalgas. Estos microorganismos pueden fijar el CO2 utilizando la energía solar con eficacia diez veces mayor que las plantas terrestres (Pires et al., 2012)
A partir de lo anterior y analizando la problemática vemos la nesecidad de realizar un proyecto en el cual se buscara analizar el crecimiento de diferentes cepas de microalgas al ser sometidas a una variación de temperatura, debido a la fuerte influencia de esta en la composición química celular , la absorción de los nutrientes, la fijación del dióxido de carbono y las tasas de crecimiento de todas las especies de algas(Ono e Cuello, 2007) . No obstante para poder llevar a cabo dicha propuesta es necesario analizar la cinética de crecimiento y la productividad de las microalgas al ser sometidas a diferentes temperaturas(Cassidy, 2011).
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2. Preguntas De Investigación
¿Cómo varia el crecimiento celular de dos diferentes cepas de microalgas,
Scenedesmus obliquus y Haematoccus pluvialis, cuando su inoculo se
obtiene de los fotobioreactores semillas del módulo SP1, al ser evaluadas a
tres temperaturas diferentes?
¿Cuál es la productividad obtenida de dos cepas de microalgas,
Scenedesmus obliquus y Haematoccus pluvialis con su inoculo obtenido de
cultivos de activación, al ser expuestas a tres diferentes temperaturas, 30, 35
y 45°C?
¿Pregunta de investigación de contenido de lípidos?
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3. Hipótesis
Al someter las microalgas Scenedesmus obliquus, y Haematococcus pluvialis a
diferentes temperaturas: 25ºC (ambiente), 30, 35 y 40ºC se promoverá la tasa de
crecimiento.
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4. Justificación
Al analizar el estado actual del país, y detenernos a pensar en la problemática
ambiental que se está presentando, nos damos cuenta que se han desarrollado
diferentes soluciones y tratados; tales como el protocolo de Kioto, el protocolo de
Montreal, la declaración de rio, entre otros, en pro del desarrollo sostenible del país,
los cuales se unen en la búsqueda de una solución a la problemática ambiental
sobre todo al impacto generado por el calentamiento global, el cual permite el paso
de la luz solar hacia la tierra, pero absorbe una gran parte de la radiación de calor
reflejada de la superficie de la tierra y la devuelve en un 50%, con lo que contribuye
al aumento del efecto invernadero natural. ("2495 greenhouse effect [n]," 2010) este
es causado por la emisión de algunos gases entre los cuales se encuentran el
dióxido de carbono [CO2], el metano [CH4], el gas hilarante [N2O], el ozono cercano
al suelo [O3] y los compuestos fluroclorocarbonados [FCC]. (Demarty & Bastien,
2011),en partículas las emisiones de CO2 son las que presentan un mayor aumento
Una alternativa para disminuir el CO2 atmosférico es su captura a través del uso de
microalgas (Toledo Cervantes, 2010) debido a que este proceso presenta diversas
ventajas al ser un método sostenible del medio ambiente, su crecimiento está dado
directamente a través de la energía solar y son co-productores de materias primas
de alto valor añadido a partir de la biomasa (Pires, Alvim-Ferraz, Martins, & Simões,
2012), además de la eficiencia en la captura del dióxido de carbono diversos
estudios han encontrado que la temperatura es un factor a tener en cuenta, ya que
ésta influye en los coeficientes de velocidad de reacciones biosintéticas, la relación
entre temperatura y velocidad de crecimiento crece exponencialmente hasta que se
alcanza la temperatura óptima.(Martinez Garcia, 2012)
Teniendo en cuenta lo anterior este proyecto pretende evaluar el crecimiento de las
microalgas Scenedesmus obliquus, y Haematoccus pluvialis obteniendo su inoculo
de diferentes fuentes y exponiéndolas a diferentes temperaturas, debido a la
posibilidad que ofrecen estas cepas en cuanto a una solución al problema de las
emisiones de CO2 debido a su eficiencia en la captura de este mismo.
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Se determinará cuáles microalgas presentan un alto crecimiento celular al ser
expuestas a altas temperaturas y al ser obtenidas de diferentes inoculos y
condiciones de asepsia, igualmente cuál es su productividad y contenido de lípidos
mediante la medición de su biomasa y densidad óptica durante 15 días, todos los
días y como es su comportamiento en base a las observaciones durante su etapa de
crecimiento.
Con esta evaluación se podrá determinar y seleccionar con mejor criterio las
microalgas con mayor temperatura de crecimiento y productividad. A la par, este
proyecto de grado busca complementar el perfil del estudiante de ingeniería de
procesos, y de esta forma adquirir capacidades para la realización de proyectos de
investigación, ser personas innovadoras abiertas a los cambios, abiertas a los
cambios que se presenten en su vida personal y laboral y ser personas capaces de
llevar a cabo proyectos propios que los lleven al éxito.
Con base a lo citado anteriormente y con el fin de llevar a cabo este proyecto, se
pretenden resolver las siguientes preguntas de investigación:
¿Cómo varia el crecimiento celular de dos diferentes cepas de microalgas,
Scenedesmus obliquus y Haematoccus pluvialis, cuando su inoculo se
obtiene de los fotobioreactores semillas del modulo SP1, al ser evaluadas a
tres temperaturas diferentes?
¿Cuál es la productividad obtenida de dos cepas de microalgas,
Scenedesmus obliquus y Haematoccus pluvialis con su inoculo obtenido de
cultivos de activación, al ser expuestas a tres diferentes temperaturas, 30, 35
y 45°C?
¿Pregunta de investigación de contenido de lipidos?
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5. Objetivos
5.1. Objetivo general
Evaluar el crecimiento celular de las microalgas Scenedesmus obliquus, y
Haematoccus pluvialis, bajo dos condiciones diferentes de inoculo.
5.2. Objetivos específicos
Estimar la productividad para las microalgas Scenedesmus obliquus, y
Haematoccus pluvialis, al obtener el inoculo de los fotobioreactores semilla,
del módulo SP1, a cuatro diferentes temperaturas.
Evaluar el crecimiento de las microalgas Scenedesmus obliquus, y
Haematoccus pluvialis partiendo de un inoculo adquirido de los cultivos de
activación cuatro diferentes temperaturas.
Caracterizar la biomasa obtenida de cada cepa bajo las dos condiciones
diferentes de inoculo a cuatro diferentes temperaturas.
5.3. Alcance del proyecto
Al culminar el proyecto de grado se tendrán como resultados:
Un informe escrito para la biblioteca de la universidad EAFIT, el cual
contenga una amplia revisión bibliográfica, la metodología utilizada y los
resultados obtenidos en el proyecto de investigación.
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6. Marco teórico
6.1. Antecedentes
Se han investigado varias estrategias para lograr la mitigación de las emisiones de
gases de efecto invernadero a la atmosfera, especialmente las de CO2, pues la
reducción de estas emisiones representa un aspecto importante en el desarrollo
sostenible de las actividades industriales. Jacob-Lopes et al., (2009) evaluo
diferentes estrategias operativas de fotobioreactores y encontro que el secuestro de
CO2 por reacciones fotosintéticas lograria ser una estrategia adecuada desde este
punto de vista, debido a que puede ser transformado en diversos productos que
pueden ser reutilizados en diferentes maneras. (Jacob-Lopes, Revah, Hernández,
Shirai, & Franco, 2009)
Al llevar a cabo el análisis de la fijación de CO2 mediante microalgas, especies de
rápido crecimiento, se encontró que este ofrece una alternativa muy prometedora
para la mitigación del CO2, el gas de efecto invernadero con mayores emisiones. El
mérito principal de esta estrategia radica en el hecho de que, a través del cultivo de
microalgas, la mitigación de CO2 y la producción de biocombustibles podrían
combinarse de una manera económicamente viable y ecológicamente sostenible. La
viabilidad de esta estrategia podría ser mejorada aún más mediante la fijación de
CO2 de los gases de escape industriales, tales como los gases de combustión y
mediante la integración de cultivo de microalgas con tratamiento de aguas
residuales.(Wang, Li, Wu, & Lan, 2008)
Adicionalmente, otro estudio realizado en la captura de CO2 que buscaba maximizar
tanto la eficiencia energética del proceso como la eficiencia económica, encontró que
el uso de especies de microalgas, permite esta captura de forma rápida y efectiva
debido a que tienen como una de sus características la alta fijación de CO2, la
eficiencia de conversión de energía solar, son capaces de convertir la energía solar
en H2, y tienen la capacidad de producir una alta cantidad de biomoléculas valiosas
(Skjånes, Lindblad, & Muller, 2007)
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Las microalgas son un grupo diverso de microorganismos fotosintéticos procariotas y
eucariotas que pueden crecer rápidamente debido a su estructura simple, estos
microorganismos pueden producir una gran variedad de nuevos bioproductos con
amplias aplicaciones en la medicina, la alimentación, y cosmética industrias. (Chisti,
2007)
El Trabajo de Carvalho, Meireles e Malcata (2006) concluto en que para alcanzar la
máxima productividad, de las microalgas varios parámetros deben ser controladas,
como lo son el nivel suficiente de nutrientes una óptima temperatura y monitorización
del pH, así como una mezcla adecuada de aire y la turbulencia del mismo, junto con
posibilidad de desgasificación del oxígeno y control de la luz (Carvalho, Meireles, &
Malcata, 2006)
Al realizar estudios de las diferentes microalgas que serán evaluadas en el presente
trabajo se encontraron los siguientes resultados basados en la temperatura de
crecimiento. La microalga Haematococcus pluvialis ha sido objeto de una serie de
estudios en los cuales ha intentado determinar la temperatura óptima y la
combinación de irradiancia para el crecimiento esta cepa. al explorar
simultáneamente los efectos de la temperatura y la irradiación en una sola cepa de
H. pluvialis (UTEX 2505) a través de una región experimental que abarcaba las
combinaciones reportadas de estos factores para múltiples cepas.
Para este fin, se creó un diseño experimental de dos dimensiones basado en la
metodología de superficie de respuesta (RSM). Las tasas máximas de crecimiento
para UTEX 2505 se obtuvieron a 27°C y 260 mol fotones m2 s-1 (Evens, Niedz, &
Kirkpatrick, 2008).
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6.2. Microalgas
Las microalgas son organismos fotosintéticos; capaces de transformar la energía
luminosa en energía química con una eficiencia cuatro veces mayor a la de las
plantas, estas también corren con la característica de ser no vasculares que
contienen clorofila “a” como su pigmento fotosintético primario y poseen estructuras
reproductoras simples; algunas micro algas además de clorofila constan de
pigmentos carotenoides y biliproteinas que enmascaran el color (dawes,1986; brock
y madigan 1993).
Las microalgas son organismos microscópicos fotosintéticos que se encuentran en
medios de agua marina y agua fresca. El mecanismo fotosintético es similar al de las
plantas terrestres, debido a su estructura celular simple y el factor que están
sumergidas en un ambiente acuoso, donde ellas tienen un eficiente acceso al agua,
al CO2 o más y más nutrientes, generalmente son mucho más eficientes que las
plantas terrestres para convertir energía en biomasa (John et al. 2010)
Las células de algunas microalgas son de naturaleza eucariota las cuales contienen
en su citoplasma organelos limitados por membranas, como los cloroplastos,
mitocondrias núcleo; o bien son procariotas las cuales carecen de lo antes
mencionado (pelezar, 1982).
Las condiciones óptimas de temperatura, intensidad luminosidad, salinidad,
nutrientes y PH para el cultivo de microalgas, varían ampliamente de una especie a
otra, estos parámetros fisicoquímicos, han sido determinados en laboratorio y nos
ayudan a comprender las condiciones óptimas para el desarrollo de las diferentes
especies de cultivo. Actualmente a nivel comercial, los cultivos masivos de
microalgas al exterior y los fotobioreactores cobran mayor importancia para la
producciones de compuestos químicos de alta pureza, con: biocombustibles,
biofertilizantes, intercambiadores iónicos y carotenos (John et al. 2010).
La necesidad de datos cuantitativos en el estudio del efecto del crecimiento de las
microalgas es evidente si se acepta el rol de la temperatura en las aguas frescas de
nacimiento (Epley, 1972) y el impacto de la contaminación térmica del agua (Algal
growth in crossed gradients of light)
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6.3. Como afecta el gradiente de temperatura en la producción de
biomasa de las microalgas?
La temperatura es uno de los factores ambientales más importantes que afectan el
crecimiento y desarrollo de los organismo vivos. El crecimiento de algas depende
también de la temperatura, por lo que se requiere conocer un valor óptimo para una
tasa máxima de crecimiento. Los sistemas fotosintéticos siempre generan calor a
causa de la ineficiencia de la fotosíntesis de convertir la energía luminosa a energía
química. La conversión teórica de la luz roja en energía química es de un 31 % y el
69 % restante se pierde como calor. Por ello, la cantidad de enfriamiento en un
sistema de cultivo dependerá de la intensidad de la luz y de la concentración celular,
sin embargo, el enfriamiento del reactor es sólo utilizado en sistemas cerrado.
En este momento estudios demuestran que los efectos de la temperatura,
porcentajes de co2 e intensidad de luz, son importantes en la multiplicación de las
microalgas, en los últimos años se ha tornado un tema fundamental en el estudio de
las condiciones optimas para la producción de microalgas. (effects of temperatura
co2-02 concentration and light intensity on)
Las micro algas son particularmente atractivas como “stock” por su alta producción
de biomasa a base de lípidos e hidrogeno, desde que ellos han sido adaptados para
crecer en un rango de condiciones ambientales como a diferentes gradientes de
temperatura en muchos casos se ha duplicado su crecimiento y producción de
biomasa , (Mata et al.,2010), puesto que la composición química de las microalgas
es influenciada por las condiciones ambientales incluyendo la temperatura y la luz
(S.M Renaud et al/ aquaculuture.. effect of temperatura on growth chemical
composition and fatty acids).
Efecto invernadero
los cuerpos emiten radiación; estos rayos o fotones son ondas electromagnéticas que no necesitan ningún medio mate- rial para propagarse, más bien la materia dificulta su avance. Como cual- quier onda, las electromagnéticas se caracterizan por su longitud de onda o –alternativamente– por su frecuencia, siendo ambas
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cantidades inversamente proporcionales: una onda larga es de baja frecuencia y una corta es de alta frecuencia. Se llama espectro electromagnético el (o un) conjunto total (o parcial) de ondas de diversas frecuencias (libro 437)
Gran parte de la radiación que recibimos surge de los pisos yparedes de los recintos que habitamos, ya que los materiales utilizados para la construcción se obtienen a partir de elementos naturales que contienen radio nucleídos. Por otra parte, los alimentos que ingerimos, el agua que bebemos y el aire que respiramos también tienen en su composición una pequeña porción de elementos radioactivos Y no olvidemos que nuestro propio organismo contiene potasio, parte del cual es también radioactivo. Pensemos ahora, por ejemplo, en aquellas personas que son viajeros frecuentes o personal aéreo. Ellas están expuestas a una cantidad extra de radiación cósmica en comparación con quienes acostumbran a estar con los pies en la tierra, ya que el filtro y la protección que brinda la atmósfera es menor a grandes alturas.(prontuario de la radiación electromagnética)
Productos frescos como lechuga, pepino, hierbas y tomate es una parte importante de una dieta saludable y se exige por parte del consumidor moderno. En las regiones del norte del mundo, la producción se lleva a cabo principalmente en invernaderos modernos, en los que el cultivo en el suelo ha sido reemplazado por cultivos sin suelo, debido a la exigencia de mano de obra inferior y la disminución del riesgo de la planta transportados por el suelo enfermedad. Hay diferentes diseños de sistema de cultivo sin suelo, pero todos comparten la necesidad de utilizar una solución de nutrientes con el fin de proporcionar el crecimiento de plantas(Treatment of drainage solution from hydroponic greenhouse production with microalgae)
La tasa de aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en el siglo 20, se cree que es la principal causa del cambio climático global, esto ha llevado a la formación de numerosos acuerdos internacionales para controlar la generación de gases de efecto invernadero por las diferentes actividades industriales en todo el mundo. Plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) se han reportado como una de las fuentes industriales de GEI que tienen el potencial de produccion para producir dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) y óxido nitroso (N 2 O) a través de varios procesos biológicos como químicos y así como las
secciones de producción de energía, la combustión y el transporte.( Greenhouse gas emission by wastewater treatment plants of the pulp and paper industry – Modeling and simulation)
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7. Materiales y métodos
7.1. Área experimental
Los ensayos y pruebas a realizar en este proyecto serán llevados a cabo en los
laboratorios de la Universidad EAFIT, sede Medellín, Antioquia, Colombia.
7.2. Microalgas
Se trabajara con las microalgas Scenedesmus obliquus(UTEX), y Haematoccus
pluvialis(UTEX) almacenadas en -----------------
Medio de cultivo BBM, para la S. Obliquus las concentraciones son 0.99 NaNO3(g/L)
y 0.14 K2HPO4(g/L) y para H. pluvialis 0.73 NaNO3(g/L) y 0.08 K2HPO4(g/L)
--------------.
Estas microalgas fueron aisladas según la metodología de-------------.
Las muestras fueron recolectadas de diferentes -----------.
Estas microalgas fueron identificas por la técnica -------
7.3. Metodología
Para Objetivo 1:
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8. Presupuesto del proyecto
En el siguiente cuadro se detalla el presupuesto necesario para llevar a cabo la
realización del proyecto de grado:
CONCEPTO VALOR
Asesor de proyecto de
grado
$ 560,000
Estudiante de pregrado $3,000,000
Materiales y reactivos $
Papelería $
Equipos $
TOTAL $
Figura 1. Presupuesto del proyecto
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9. Cronograma
El cronograma propuesto para poder cumplir los objetivos es el siguiente:
Figura 2. Cronograma de actividades
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