biocombustibles y bioplásticos
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Biocombustibles y Bioplásticos
Reyes Pajuelo Jhoe Alan Salvatierra Sevillano
Contenido1. ¿Que son los biocombustibles?2. Obtención de los biocombustibles?3. Situación Actual en el Perú
¿Qué son los biocombustibles?Se consideran biocombustibles los productos que a
continuación se relacionan y que se destinen a su uso como carburantes, directamente o mezclados con carburantes convencionales:
Alcohol etílico producido a partir de productos agrícolas o de origen vegetal (bioetanol), ya se utilice como tal o previa modificación química
Alcohol metílico (metanol), obtenido a partir de productos de origen agrícola o vegetal, ya se utilice como tal o previa modificación química
Aceites vegetales Aceite vegetal modificado químicamente
Definición general Se entiende como biocarburantes al
conjunto de combustibles líquidos provenientes de distintas transformaciones de la biomasa, y que al presentar determinadas características físico-químicas similares a los carburantes convencionales derivados del petróleo, pueden ser utilizados en motores de vehículos en sustitución de estos.
¿Qué son los biocombustibles?Son combustibles de
origen biológico pero: Formados de
organismos recientemente vivos No de la presión
geológico Normalmente de
plantas
Tipos de Biocombustibles
El Bioetanol Alcohol producido
por fermentación de el azúcar de plantas.
El Biodiesel Un biocarburante
que se obtienen de partir de aceites vegetales
Tipos de Biocombustibles
El BioetanolEs un alcohol Producido por fermentación de
productos azucarados almidón de granos
Se puede producirlo usando muchas plantas El maíz La caña de azúcar El trigo
El Biodiesel Producido con una
reacción transesterificación de un aceite y metanol
Producido con los aceites de muchas plantas La Soja La Colza Las Semillas de Girasol
Los Usos de los BiocombustiblesBioetanol
Se mezcla con el petróleo Necesita un motor
especial para usar solo el bioetanol en un coche
Biodiesel Se puede usar en un
automóvil que usa el diesel
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS Conceptos Básicos 1. AlgasVegetales acuáticos sin raíz, tallos, hojas o flores. Poseen pigmentos fotosintéticos adicionales a la clorofila. Esto ultimo permite su clasificación taxonómica en algas verdes, verdeazules, rojas y marrones. 2. BiodieselCombustible de origen vegetal que se obtiene por la transesterificación de un ácido graso (aceite). El producto obtenido es muy similar al gasoil. Su energía específica es 5% menor que la del gasoil, pero su elevada lubricidad compensa esta diferencia, por lo que el rendimiento energético de ambos combustibles es esencialmente el mismo.
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS Hipótesis de TrabajoPartiendo del conocimiento de que existen especies de microalgas con alto contenido de aceite o rápido crecimiento, es posible la obtención de biodiesel a partir del aceite contenido en estas. AntecedentesActualmente se produce biodiesel a partir de plantas oleaginosas en unos 25 países. Con las tecnologías actuales es posible producir 1 litro de biodiesel a partir de 1 litro de aceite, 135 ml. de metanol, 9 gr de catalizador y 750 ml de agua. Además, como subproducto se obtiene también unos 100 ml. de glicerina.Existen estudios preliminares realizados por el Departamento de Energía de Estados Unidos de Norteamérica (NREL).
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS Antecedentes (cont.)Actualmente se cultiva de manera comercial el alga Spirulina como monocultivo en ciertas partes del mundo.Aunque su contenido lipídico no es alto (7%), si esta fuera usada como materia prima seria posible obtener unas 1.9 ton de biodiesel / Ha / año (= 590 galones / Ha / año)Desde el punto de vista de acuacultura dicha cifra contrasta favorablemente si se compara con lo que se obtendría de esos mismos estanques de colas de camarón de agua dulce (1.5 ton /Ha / año vs. 1.9 ton / Ha/ año). Se debe considerar que los costos de producción y riesgos para camarones son mayores
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS
Desde el punto de agricultura también dicha cifra (590 galones) contrasta
favorablemente si se compara con las oleginosas comerciales. De todas las oleaginosas conocidas solo 3 especies (aguacate, coco y palma africana) darían mayores rendimientos.
Debe recordarse que Spirulina no es propiamente una microalga rica en aceite y aun así las extrapolaciones realizadas indican resultados favorables
Soya (Glycine max) 111 gal. Girasol (Heliantus annuus) 235 gal. Maní (Arachis bipogaea) 262 gal. Higuereta (Ricinus communis) 349 gal. Aguacate (Persea americana) 650 gal. Coco (Cocos nucifera) 663 gal. Palma Africana (Elaeis guineensis) 1,468 gal.
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS JustificaciónLas microalgas pueden presentar una alternativa interesante como materia prima frente a las plantas oleaginosas, ya que son capaces de crecer en suelos arcillosos o salinos, inadecuados para el crecimiento de otros tipos de vegetales. Su velocidad de crecimiento es tal que permiten obtener cosechas repetitivas en intervalos muy cortos.
La tecnología de crecimiento de algas no requiere el uso de pesticidas o herbicidas. Esto contribuye a la preservación del medio ambiente.
Ya que necesitan dióxido de carbono (CO2) para su crecimiento, se pudiera visualizar la asociación de extensiones de cultivo de algas a plantas generadoras de energía, utilizando los gases de escape de chimenea como insumo para los estanques de cultivo. Esto también contribuiría a la preservación del medio ambiente
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS Materiales y Metodosa. Selección de algas candidatas, Se estudiaron las características de distintas algas verdes (clorofíceas), verdeazules (cianofíceas). De estas se seleccionaron las algas candidatas.
b. Cultivo de algas candidatas, Las algas fueron cultivadas utilizando un sistema escalonado. Para estos fines se utilizó un medio de cultivo estándar (BG-11) para los primeros estadios, (tubo de ensayo, beaker de 250 ml y envase de 20 litros). Los cultivos mas masivos (reservorio de 400 galones y estanque de tierra de 200 m3) fueron realizados con fertilizante agrícola (20-20-20).
c. Desarrollar una técnica de separación de grasas a partir del alga seleccionada. Se utilizó como materia prima un concentrado de la microalga Aphanizonemonflos-aquae, la cual pertenece al grupo de las verde-azules (cianoficeas)
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS
Se prepararon alícuotas de 150 ml para cada tratamiento (en triplicado) con el fin de elucidar cual de estos brindaba la mayor eficiencia en términos de liberación de materiales lipídicos (aceites y grasas)
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS Materiales y Metodos (cont.)
Los tratamientos fueron :
Control (no tratamiento)
Acidificación: Acido sulfúrico para llevar la muestra a pH 2. (5 ml / muestra), 24 h
Acidificación + ultrasonido: Acido sulfúrico para llevar la muestra a pH 2. (5 ml / muestra), 24 h + Ultrasonido: 25 Khz, 6w/ cm2. 24 h
Alcalinización: Hidróxido de sodio para llevar la muestra a pH 12 (30 ml / muestra), 24 h
Alcalinización + ultrasonido: Hidróxido de sodio para llevar la muestra a pH 12 (30 ml / muestra), 24 h + ultrasonido: 25 Khz., 6w/ cm2. 24 h
Ataque enzimatico: celulasa 20 ml / 150 ml muestra, pH llevado a 4.5, incubación a 45ºC. 24 h
Ataque enzimatico + Ultrasonido: celulasa 20 ml / 150 ml muestra, pH llevado a 4.5, incubación a 45ºC, 24 h +
Ultrasonido: 25 Khz., 6w/ cm2. 24 h Ultrasonido: 25 Khz., 6w/ cm2. 24 h
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS
Resultados y DiscusiónPORCENTAJE DE EXTRACTIBILIDAD DE
MATERIAL LIPIDICO PARA LOS DIFERENTES TRATAMIENTOS EN LA
MICROALGAAPHANIZONEMON FLOS-AQUAE
BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS
Resultados y Discusión
En lo que respecta al perfil de ácidos grasos del aceite obtenido es notorio la presencia ( > 40%) de un acido graso de cadena larga superior al lignocérico (C24:0).
En términos de rendimiento pueden significar unos 840 gal / Ha / año, lo cual es mayor que muchas oleaginosas terrestres
Estos tipos de ácidos grasos son característicos de los organismos acuáticos y por lo general casi ausentes en organismos terrestres.
1. La biomasa se cosecha y se entrega a la refineria.
Nuevas tecnologías, llamadas producción de biocombustible de segunda generación, podrían ser una manera más eficiente de producir un biocombustible llamado etanol celulósico. Este sistema utiliza la celulosa en otras partes de la planta (por ejemplo los tallos) y se puede aplicar a otros cultivos también. Sin embargo, separar la celulosa de la lignina (que sostienen unidas las distintas partes de la planta y les permite permanecer erectas) es un proceso más complejo. Se necesita aún más trabajo para encontrar una manera de hacer este proceso más barato y eficiente. Un problema importante a resolver es el transporte de grandes cantidades de biomasa (por ejemplo, tallos de maíz) a las fábricas, que requiere en si mismo, mucho combustible.
Producción de Biodiesel por País en Millones de Galones.Año 2004 , a partir de distintas oleaginosas
Alemania 322 E.U.A (45 compa.) 180 Francia 108 Italia 99 Dinamarca 22 Checoslovakia 19 Austria 18 Eslovakia 5 España 4 Reino Unido 3 Lituania 1.5 Suecia 0.4 Total 780
En la actualidad el país que presenta un mayor desarrollo en el área de biodiesel es Alemania, que alcanza ya una capacidad de producción de cerca de un millón de toneladas anuales. Este desarrollo es producto de la coordinación entre los distintos sectores involucrados, desde los productores de la materia prima (colza) hasta los transformadores, las administraciones a través de su política fiscal de apoyo, los distribuidores (existen más de mil puntos de distribución de biodiesel en Alemania, que se distribuye puro, sin mezclar con el gasóleo) y los fabricantes de vehículos, que han aportado las oportunas garantías de que determinados modelos pueden usar el biodiesel puro sin ningún tipo de problemas.
Ventajas de los BiocombustiblesDisminuye las principales
emisiones de coches Entre un 25% y un 80% de los
emisiones de CO2 Mejoría la calidad del aire de los
ciudadesFavorece el mercado doméstico
Desventajas de los Biocombustibles Hay efectos por la economía Las plantas necesitan mucho agua No hay la tierra cultivable para usar solo
los biocombustibles
Bioplásticos: historia El uso de polímeros naturales no es enteramente una nueva
idea. De una u otra forma los plásticos “verdes” han estado en las sociedades humanos durante mucho tiempo.
En el año 1800, la comercialización significativa de bioplásticos comenzó a mediados del sigo XIX. El investigador John Wesley Hyatt estaba buscando un sustituto para el marfil en la fabricación de las bolas de billar, y en 1869 patento un derivado de la celulosa.
Hyatt continuó trabajando en el proyecto y pronto desarrolló el celuloide, el primer plástico ahora se utiliza más ampliamente conocido por su uso en la película fotográfico y cinematográfico.
En la década de 1900 en adelante, debido a que el aceite surgido como una fuente de combustible y productos químicos. Los bioplásticos fueron simplemente remplazados por plástico hechas de polímeros sintéticos
En los años 1920, Henry Ford experimentó con derivados de la soja en la fabricación de automóviles. Ford estuvo en parte motivado por el deseo de satisfacer las peticiones de excesos agrícolas, que entonces existían.
Finalmente Ford dio luz verde para producir un prototipo completo de plástico. Ford, un maestro en la generación de publicidad, exhibió el prototipo con bombos y platillos en 1941, pero a finales de año ya no produjeron el "coche de plástico“
La Segunda Guerra Mundial cambió las cosas: la producción de armas incautadas prioridad sobre casi todo lo demás, y la escasez de acero limita toda la producción productos que no eran para la guerra.
En 1960, un bioplástico bien sabido que sobrevivió al crecimiento de la industria: el celofán es el material de plástico sintético, una hoja de derivado de celulosa.
Del 2000 a la actualidad, la demanda de materiales tales como plásticos está creciendo y no se verá disminuido continuamente.
Hoy en día, la industria de los plásticos es un componente importante de nuestra economía: la industria de los plásticos incluye 20.000 EE.UU. empresas que producen o distribuyen materiales o productos, empleando 1,5 millones de trabajadores, con una ganancia de $ 300 mil millones cada año.
El valor de industria del plástico, sin embargo, es una causa de preocupación. Disminuye recursos naturales (petróleo) han conducido a redescubrir polímeros naturales para su uso como materias primas para la industria.
Bioplásticos: Un bioplástico es un material fabricado con fuentes
renovables y biodegradables. Se dice que un material es biodegradable cuando puede ser degradado por microorganismos para originar moléculas sencillas asimilables por el ambiente. La razón por la cual los plásticos tradicionales no son biodegradables es porque son polímeros demasiado largos y compactos como para ser atacados y degradados por los organismos descomponedores.
Se producen a partir de…
Almidón y acido poli láctico
El almidón se extrae, luego los microorganismos los transforman en una molécula más pequeña, el ácido láctico. Después, este ácido láctico es tratado químicamente de manera de formar cadenas o polímeros, con una estructura molecular parecida a la de los de origen petroquímico, que se unen entre sí para formar el plástico llamado PLA (Ácido Poli láctico).
Polihidroxialcanonatos La gran mayoría de los seres vivientes acumulan diferentes
sustancias de reserva cuando existe un exceso de recursos en su entorno
Entre las sustancias de reserva acumuladas por los organismos procariotas se encuentran los polihidroxialcanoatos (PHA).
Estos polímeros son acumulados en gránulos intracelulares por numerosas especies de bacterias, en condiciones limitantes de nutrientes esenciales para el crecimiento (tales como nitrógeno combinado, azufre o fosfatos) y exceso en la fuente de carbono.
Cuando la fuente de carbono externa se agota, o si el nutriente limitante es suministrado nuevamente, el PHA es depolimerizado y posteriormente metabolizado como fuente de carbono y energía.
PHA son polimeros lineales de (R)-3- hidroxiácidos en los cuales el grupo carboxilo de un monómero forma un enlace tipo éster con el grupo hidroxilo del monómero siguiente y pueden llegar a representar más del 90% del peso seco celular
El primer PHA descubierto fue el poli(3-D-hidroxibutirato) (PHB), un homopolímero que fue detectado en la especie Bacillus megaterium en el año 1925.
Posteriormente, se encontraron inclusiones de PHA en una extensa variedad de especies bacterianas.
los PHA poseen otras características interesantes: su biodegradabilidad y el hecho de que pueden ser producidos a partir de recursos renovables. En la naturaleza los microorganismos son capaces de degradar los PHA, mediante la acción de PHA de polimerasas y PHA hidrolasas extracelulares, hastaCO2 y agua.
Producción de PHA en microorganismos Existe una amplia variedad de microorganismos
capaces de acumular intracelularmente polihidroxialcanoatos, podemos citar heterótrofos aeróbicos (Pseudomonas) o anaeróbicos (Azotobacter); metilótrofos (Methylocystis), fotótrofos aeróbicos y anaeróbicos (Rhodospirillium, Chromatium), e incluso arqueobacterias tales como Halobacterium
Los primeros procesos desarrollados para la producción de PHA en microorganismos se realizaron mediante fermentación utilizando ala bacteria Ralstonia eutropha, la cual es capaz de producir PHB a partir de glucosa, o polihidroxibutirato-valerato (PHBV) a partir de glucosa y propionato.
En Brasil se producen a partir de melaza de caña, y en Estados Unidos y Corea a partir de varios sustratos de origen vegetal.
Los PHA pueden clasificarse en tres tipos: de cadena lateral de monómero corta (de 3 a 5 átomos de carbono), de cadena media (de 6 a 14 átomos de carbono) y de cadena larga (con mas de 14 átomos de carbono).
La longitud de la cadena lateral y el grupo funcional tienen una influencia considerable sobre las propiedades del polímero.
Producción de PHA en la industria
Producción de PHA en Escherichia coli recombinante
Entre las cepas bacterianas comúnmente utilizadas en procesos biotecnológicos, E. coli es el microorganismo mejor conocido, ya que su metabolismo ha sido extensivamente estudiado y caracterizado. Debido a esto, es un microorganismo modelo, ideal para su uso en fermentaciones.
E. coli no posee la capacidad de sintetizar o degradar PHA pero crece rápido y es fácil de lisar. Se han expresado los genes pha de varias especies bacterianas en E.coli, obteniéndose buenos rendimientos del polímero.
PHA a partir de plantas A través de la ingeniería genética fue posible aislar los
genes que codifican la producción de PHA en las bacterias y transferírselos a las plantas.
El objetivo es lograr que las plantas fabriquen el bioplástico PHA, un mejor producto y más barato que el bacteriano
En 1994 la compañía Monsanto intentó producir un plástico más flexible utilizando el maíz. Se introdujo el gen aislado de la bacteria Ralstonia eutropha que produce el PHA, en el material genético del maíz
En este maíz transgénico, el polímero se produce y almacena en las hojas y el tallo, por lo que no debería afectar la producción de granos alimenticios. Así se puede tener una parcela de maíz que produzca al mismo tiempo alimento y PHA
El ciclo de Vida de los BPL POLIMEROS
SINTETICOSPOLIMEROS RR.NN.RR
Y BIODEGRADABLES
BPL
FUENTE MATERIAPRIMA
Reservas petrolíferas yreciclaje
Reservas petrolíferas yreciclaje
Biomasa (CO2 y H2O)
ENERGIA Fósil Fósil Fotosintética (solar)
MATERIA PRIMA BASE
Petróleo/gas/ plásticorecuperado
Petróleo/gas/ plásticorecuperado
Productos agroforestales
OBTENCION POLIMEROS
Síntesis química Síntesis química +aditivos
Biotecnología
PRODUCTOSINTERMEDIOS
(GRANZA)
Tecnología tradicional La misma La misma
PRODUCTOSTERMINADOS
Tecnología tradicional La misma La misma
DESTINO FINAL VIDAUTIL
ReciclajeIncineraciónVertedero
Biodegradación Biodegradación
Aplicaciones de los PHA Actualmente se utilizan PHA para producir films
plásticos para bolsas, contenedores y recubrimientos de papel, en artículos desechables (productos de higiene personal, ropa quirúrgica), en tapicerías, empaquetado, etc.
Los PHA también pueden procesarse para formar fibras, con el consiguiente interés para la industria textil.
Las aplicaciones médicas de los PHA tienen dos vertientes principales. La primera de ellas es como materiales per se, ya que al ser plásticos biodegradables y biocompatibles, están siendo utilizados para implantes médicos, suturas, válvulas cardiacas, etc
Se investiga su uso como matrices para medicamentos de liberación controlada e incluso dirigida. La otra aplicación en estudio es como agentes terapéuticos, al observarse que algunos monómeros de determinados PHA parecen tener efectos terapéuticos en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson.
La hidrólisis ácida de PHA puede producir metil ésteres de hidroxibutirato y de hydroxialcanoatos de cadena media. Estos compuestos son buenos combustibles, comparables en poder calorífico al etanol.
los PHA también pueden desempeñar aplicaciones interesantes en la industria energética. La hidrólisis ácida de PHA puede producir metil ésteres de hidroxibutirato y de hydroxialcanoatos de cadena media. Estos compuestos son buenos combustibles, comparables en poder calorífico al etanol
Caso Toyota Toyota está planeando construir una planta
piloto para producir ácido poliláctico, un bioplástico hecho a partir de recursos renovables tales como la caña de azúcar.
plásticos - bioplásticos de uso en vehículos con mejordesempeño, durabilidad, resistencia el calor.
Toyota está comprometido con el medio ambiente,lo demuestraconsus planes de crear un coche a base de un bioplástico desarrolladocon algasmarinas.Este bioplástico produciría60% menos dióxido de carbono y ahorraría un 30% de energía. Según estiman, tendrían su primermodelo dentro de15 años
CASO SAMSUNG Samsung ha anunciado la llegada del E200,
uncelular de la nueva línea llama ECO district enla cual se usa material bioplástico
De acuerdo al análisis de la línea, usando 1tonelada de bioplástico en vez de el plásticotradicional se reducen 2.16 TON de CO2emitidos durante su proceso de producción.
Impacto ambiental, social y económico
Para la elaboración de bioplásticos es necesario el uso de derivados vegetales. Este hecho se traduce en un serio problema para el medio ambiente, debido a que a gran escala se necesita una enorme extracción de diversos recursos naturales.
Es contradictorio desarrollar productos consumistas a base de alimentos cuando existen países en pobreza extrema que ni siquiera alcanzan a satisfacer sus necesidades básicas de alimentación.
Una alta extracción de maíz, papa o soja que demandaría una elevada producción de bioplásticos provocara la carestía de estos productos, lo cual derivará en una crisis alimentaria y a su vez será factor de originar una crisis económica mundial
Factores que produjeron la crisis alimentaria de 2007-2008 proceden por ejemplo del uso de cosechas de maíz estadounidense para fabricar biocombustibles
Los bioplásticos poseen un alto costo de producción, pues además de requerir mayor energía para su elaboración en la industria, el proceso cuesta hasta 3 o 4 veces más que el plástico convencional.
También existen bioplásticos mezclados con polímeros sintéticos no biodegradables, es decir están fabricados en una parte con recursos renovables, y en otra con derivados del petróleo. Esto no soluciona ningún problema, ya que en el desecho del mismo las macromoléculas de alto peso molecular del polímero sintético permanecen intactas
Gracias por su atención.