la fijación de co2 reforzada y la producción
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La Fijación de CO2 Reforzada y La ProducciónTRANSCRIPT
LA FIJACIÓN DE CO2 Y LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE A PARTIR DE LA MICROALGA
Andrés Felipe Ospina Osorio 310539
Andrés Felipe Salazar Muñoz 310550
¿Cómo a partir del exceso de CO2 obtener una fuente natural de
biocombustible utilizando recursos naturales?
Análisis problémico
La preocupación actual por la alta emisión de CO2, el agotamiento de combustibles fósiles y la poca rentabilidad que ofrecen los biocombustibles hechos a partir de caña de azúcar y del maíz y el biodiesel a partir de aceite de soya, canola, girasol, palma de aceite hacen buscar otro tipo de alternativas que produzcan mucho más producto y absorban más CO2.
A partir de organismos fotosintéticos más eficientes, que absorben más CO2 y liberan más O2 que cualquier planta, además de que crecen extremadamente rápido y llegan a acumular grandes cantidades de diversos productos se puede responder la pregunta…
La Microalga
La MicroalgaLas microalgas son protistas
fotosintéticos. En general son los más eficientes conversores de energía solar debido a su sencilla estructura celular. Además al estar suspendidas en agua, tienen un mejor acceso al CO2 y otros nutrientes. Se encuentran ampliamente distribuidas en la biósfera adaptadas a una gran cantidad de condiciones.
Los mayores retos en el desarrollo de procesos para la producción de biodiesel con microalgas consisten en: a) seleccionar las mejores cepas, en términos de máximo contenido de lípidos y máxima productividad, mejor perfil de lípidos y adaptabilidad al tipo de agua a utilizar y a las condiciones ambientales; b) establecer estrategias de cultivo adecuadas que permitan lograr la máxima productividad de lípidos y de biomasa; c) lograr el uso de aguas residuales, evitando contaminaciones; d) seleccionar el tipo de reactor más adecuado o una combinación de ellos, para máxima producción de biomasa al mínimo costo; e) lograr abatir los costos de cosecha, y f) lograr una extracción de lípidos y su conversión a biodiesel, mediante estrategias de mínimo costo.
LA MICROALGA COMO CAPTADORA DE CO2
Las fuentes más comunes de CO2 de la microalga incluyen: CO2 atmosférico;
CO2 de los gases producidos por la actividad industrial;CO2 en la forma químicamente producido de carbonatos solubles (ej. NaHCO3 y Na2CO3).
“Dicho de forma simple las microalgas son increíbles fábricas biológicas capaces de tomar los desechos de CO2 y convertirlos en una fuente líquida de energía de alta densidad (aceite natural)”.
-D.O.E. National Renewable Energy Laboratory.
La capacidad de las microalgas para fijar el CO2 es de 10 a 50 veces mayor que la de las plantas terrestres, por tal motivo, las microalgas consumen la mayor cantidad de CO2 en todo el planeta.
Aproximadamente la mitad de la biomasa en peso seco de las microalgas, es carbono derivado del CO2.
Por tal motivo han llamado mucho la atención para la producción de biocombustibles ya que pueden convertir el CO2 y nutrientes suplementarios, en biomasa, por medio de la fotosíntesis a proporciones mucho más altas que la de los cultivos de biocombustible convencional.
¿Que medios permiten que se dé esta transformación?
Esquema central
Cosecha de las microalgas
Las algas deben ser separadas y recolectadas.Técnicas para la separación de las algas del agua:
floculación, el micro-filtrado y la centrifugación.
La extracción de aceites a partir de la pasta sobrenadante de algas.
La efectividad de cada método depende mucho de la forma y tamaño de las algas.
Cuadro 1. Porcentaje de contenido de aceites en algunos géneros de Algas. Fuente: Christi
(2007)
Especies Contenido de aceite (% en base a peso seco)
Chlorella sp. 28-32
Nitzschia sp. 45-47
Nannochloropsis sp. 31-68
Schizochytrium sp. 50-77
Factores que determinan el crecimiento del cultivo
Energía solar;Captación de carbono;Nutrientes requeridos;Efectos de temperatura;Efectos de pH;Compuestos tóxicos.
Sistema de piletas de conducción cerradas. Fotobiorreactores
Son dispositivos en material transparente para el cultivo de microorganismos fotosintéticos acuáticos.Se componen de:
un receptor solar (sistema tubular a dos niveles optimizado) y,un sistema de impulsión (burbujeo de aire en un desgasificador plano),
Son operables tanto en continuo como en discontinuo, permitiendo la inyección de dióxido de carbono y el control del pH y de la concentración de oxígeno disuelto (DO) en el cultivo.
Lagunas Abiertas o Raceways
Constan de un circuito de bucles y canales por donde circula el cultivo y mezclado mediante una rueda de paletas (paddlewheel) que homogeniza los nutrientes y los microorganismos. El flujo es guiado alrededor del sistema de bucles por deflectores (baffles) dispuestos en los canales. El material del que son construidos suele ser hormigón o tierra compactada y recubiertos con plástico blanco que mejora la captación luminosa por parte del alga.
El diseño es muy similar al diseño de los sistemas de producción fotobiológica de hidrógeno. En este sistema, el cultivo de
algas es bombeado a través de un sistema transparente rectangular o
tubular con el objetivo de que el cultivo capte la mayor cantidad de luz, a fin de realizar lo más eficientemente posible la
fotosíntesis.
A diferencia de los sistemas abiertos, los Fotobiorreactores permiten que el cultivo
de una única especie de microalga durante un tiempo prolongado. Son
idóneos para producir una gran cantidad de biomasa algar.
Tipos de biorreactores
Los biorreactores empleados para cultivar microalgas son
los reactores tubulares horizontales; los reactores tubulares verticales; los reactores tubulares helicoidales; los reactores del tipo fermentor; los reactores de plato llano;los reactores de fibra de membrana.
Biodiesel
Es un combustible que consiste en un éster monoalquílico, el cual puede ser obtenido de aceites orgánicos, vegetales o animales a través de un proceso denominado trans-esterificación.
CH2OCOR + 3CH3OH → C3H8O3 +
3COOCH3R(Triglicérido) (Metanol) (Glicerina) (Metil
Ester-Biodiesel)
La razón principal por la cual los aceites vegetales no se pueden utilizar
directamente en los motores diesel es por su alta viscosidad la cual está
relacionada a su estructura química.
Producción del biodiesel a partir fotobiorreactor
Condiciones que debe cumplir el fotobiorreactor
1) Ya que el hidrógeno debe ser recolectado, el fotobiorreactor debe ser un sistema cerrado.2) Ya que debe ser posible mantener un monocultivo por un tiempo prolongado, la esterilización del fotobiorreactor debe ser rápida y práctica.3) Debe utilizar la luz solar como fuente de energía
4) Ya que la productividad de un foto-bio-reactor es limitada por la cantidad incidente de luz, la relación entre la superficie y el volumen debe ser alta5) Ya que las eficiencias foto-químicas son bajas (10 % teórico), y tienden a decrecer a altas intensidades de luz, es importante diluir y distribuir la luz lo mayormente posible a través del volumen del reactor o a través del mezclado a altas tasas del monocultivo, para que las células solo estén expuestas a la luz por un corto período de tiempo.
Rendimientos de aceites por parte de las Algas
Se estima que la producción anual de aceites por parte de las algas, podría rondar los 90.000 litros por hectárea; frente a los 450 litros de aceite por
hectárea que produce la soja, o los 1.200 litros por hectárea que produce la canola
o los 6.000 litros por hectárea que produce la palma.
(Schneider, 2006; Haag, 2007; Christi, 2007)
Nannochloropsis
Clasificación científica Dominio:
Eukaryota Reino:
Chromalveolata Filum:
Heterokontophyta Clase:
Eustigmatophyceae Gérnero:
NannochloropsisHiberd (1981)
Efecto de los gases en un fotobiorreactor
1. Suplir de CO2 y de posiblemente otros gases (SOx o NOx) como recursos de carbono.
2. Proveer de mezclado interior que evita los gradientes de concentración de nutrientes.3. Promoción de exposición de todas las células a la luz para minimizar el auto-sombreado y la fototoxicidad.4. Control de pH asegurando la disolución de CO2 y la prevención de los gradientes.5.Despojando el DO acumulado, mientras se reduce la toxicidad de la microalga
Sin embargo, durante la intervención de los gases en el proceso se suelen mostrar distintos problemas que llegan a afectar
la maquinaria que interviene en el recorrido especificado, principalmente la
acumulación del oxígeno fotosintéticamente generado… Este problema puede ser resuelto por un
“DEGASIFICADOR”
Degasificador
Es el encargado de sacar los gases disueltos del agua de alimentación de la caldera. Durante el recorrido del agua en el ciclo de calefacción es susceptible de absorber gases como ser aire, dióxido de carbono, amoníaco y otros, ellos mas perjudiciales son el aire por su contenido.
Proporciones de mezclado
Mezclar es un parámetro importante para la actuación aceptable de los biorreactores de microalga.
Las bajas proporciones de mezcla estorban el traslado de masa gaseoso y podría permitir incluso el hundimiento biomasa. Recíprocamente, las altas proporciones de mezcla pueden causar el daño de la esquila a las células, además de requerir una entrada de energía grande.
Métodos de mezclado más comunes
Bombeado;
Agitación;
Inyección de gas.
Provisión de luz
La intensidad y utilización de la luz proporcionada es muy importante en los biorreactores de microalgas.El esplendor fotosintéticamente activo es normalmente asumido para ser 43-45% en el rango de la longitud de onda de 400-700nm.La luz azul (400-500 nm) aumenta el crecimiento celular y la producción de polisacáridos.
La intensidad lumínica disminuye más profundamente dentro del medio de cultivo, sobre todo en las cultivos de alta densidad; por esta razón, el problema de profundidad óptica que mide la proporción la radiación absorbida o esparcida a lo largo de un camino a través de un medio parcialmente transparente, debe ser considerado en el diseño de biorreactor de microalga.
Biomasa y recuperación metabólica
Las dos dificultades principales encontradas en la cosecha de las microalgas se levantan de la relativamente baja concentración de biomasa en el biorreactores convencionales, acoplados con el tamaño pequeño de las células de las microalgas constitutivas.
Existen distintos métodos de cosecha considerables para la microalga que abarcan la coagulación /floculación/sedimentación, la centrifugación, fraccionación de espuma, la separación ultrasónica, flotación y filtración de la membrana. La inmovilización de la célula de la microalga ha sido propuesta para evadir el problema de cosechas, pero las aplicaciones de gran escala son limitadas.La deshidratación es otro de los mayores retos que afecta la producción de la microalga.
Casi 90% de la energía requerida para la producción del biodiesel es considerada de hecho para cosecha y la deshidratación sufrida por la biomasa, además del extracto del lípido, que proporciona así un ímpetu para el extracto más eficaz las tecnologías.
El uso de biomasa de la microalga
En la comida humana saludable, Un ingrediente en la formulación en el alimento de animal y la acuicultura,Fuente esencial de nutrientes en la acuicultura debido principalmente a su volumen alto de ácidos grasos polinsaturados que se establecen bien con los factores de crecimiento.Las microalgas se usan mundialmente como fertilizantes agrícolas que, además de su volumen nutritivo significante, pueden mejorar la capacidad necesaria de agua y la composición mineral de la tierra.
Productos químicos extraídos de la microalga
Glicerol;Astaxantina y otros carotenoides;Ácidos grasos;Poli-β-hidroxibutirato;Polisacáridos.
Productos de la bioenergía de la microalga
Biogas;Electricidad;Biodiesel;Etanol;Combustibles líquidos.
Retos y necesidades de investigación
La fijación biológica de CO2 ha atraído gran atención porque lleva a la producción de
biocombustible u otros productos industriales con un valor de mercado, junto con una reducción potencial en
gases de efecto invernadero (GHG’s) y el tratamiento de aguas residuales.
Retos y necesidades de investigación
Las investigaciones actuales están enfocadas principalmente en los
biorreactores cerrados, mientras que las investigaciones futuras deben considerar
los sistemas abiertos, debido a la posibilidad de uso más extendido de
mitigación biológica de CO2.
MetasSustituir a largo plazo la dependencia de los combustibles fósiles.Una iniciativa de energía renovable lista para iniciar operaciones que generará empleos en el campo de la “Energía Verde”.
Los beneficios que se obtienen al usar microalgas para la producción de biodiesel son:
a) Las microalgas tienen un rendimiento de aceite mucho mayor que cualquier cultivo convencional. b) requiere una superficie de 1-2 órdenes de magnitud menores en comparación a los cultivos convencionales o los árboles. c) Con biodiesel de microalgas cultivadas en lagunas abiertas, sólo se requieren 200,000 has para producir 1 cuadrilón de BTU a comparación con otras plantas que requieren 40 o 20 millones de has.
d) Las microalgas oleaginosas pueden ser cultivadas en agua de mar o en agua salobre, disminuyendo así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimento. e) Las microalgas son excelentes captadoras de CO2. Por cada 100 ton de microalgas producidas, se consumen 183 ton de CO2.f) Con relación a la emisión de gases invernadero, es de los pocos bioenergéticas con un valor negativo. Es decir, no se produce CO2 durante el ciclo de vida de producción.
Conclusiones
El surgimiento de numerosas compañías privadas interesadas en invertir en este nuevo tipo de bioenergético es reciente, aunque registra un crecimiento intenso y cada año existen numerosos foros y reuniones para promover la inversión en la investigación y desarrollo de este tipo de biodiesel.
Conclusiones
Los retos científicos y tecnológicos que se requieren vencer para lograr disminuir los costos de producción de biomasa algal, así como de producción de biodiesel a costos competitivos, están relacionados a dar respuestas creativas y rentables para lograr:
a) aumentar la productividad de biomasa microalgal con el mayor contenido de lípidos del perfil adecuado; b) lograr mayores rendimientos de biomasa microalgal en reactores que ofrezcan costos de inversión y de operación competitivos; c) diseñar nuevos procesos de cosecha de biomasa por medio de biofloculación o uso de cepas con capacidades intrínsecas de autofloculación; d) optimizar métodos de extracción de lípidos y de su transesterificación, que permitan mayores rendimientos a menores costos; e) diseñar nuevos procesos para la generación de co-productos de alto valor agregado.
Conclusiones
Otro factor de gran importancia que debe surgir, es la generación de nuevas políticas públicas a nivel nacional e internacional para el fomento de la I&D no sólo en la producción de biodiesel, sino de biodiesel a partir de microalgas.