optimizaciÓn del proceso de centrifugaciÓn para … · tu amor y comprensión me han permitido...
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR
BIOMASA PROVENIENTE DE MICROALGAS
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA QUIMICA
AUTOR: SABRINA ESTHER MERA PROAÑO
QUITO
2015
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR
BIOMASA PROVENIENTE DE MICROALGAS
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA QUIMICA
AUTOR: SABRINA ESTHER MERA PROAÑO
TUTOR: ING. RICARDO ANDRÉS NARVÁEZ CUEVA
QUITO
2015
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de tutor, luego del estudio y el análisis realizado sobre el trabajo de grado presentado
por la Señorita SABRINA ESTHER MERA PROAÑO que titula OPTIMIZACIÓN DEL
PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR BIOMASA PROVENIENTE DE
MICROALGAS, sobre el particular informo que el trabajo de grado tiene valor académico y
utiliza conocimientos de la Ingeniería Química que han resuelto el problema y los objetivos
planteados, por lo que declaro mi conformidad con el mismo.
En la ciudad de Quito, a los 05 días del mes de septiembre del 2014.
Ing. Ricardo A. Narváez C.
Profesor Tutor
iv
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, SABRINA ESTHER MERA PROAÑO en calidad de autor del trabajo de grado realizado
sobre OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR
BIOMASA PROVENIENTE DE MICROALGAS, por la presente autorizo a la
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos. Que me
pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de
investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5,
6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.
Quito, a los 05 días del mes de septiembre del 2014
___________________________________________
SABRINA ESTHER MERA PROAÑO
C.I.: 1720257698
v
DEDICATORIA
A mis padres, que supieron guiarme en todo momento,
sembrando en mi vida su esfuerzo ejemplar y su dedicación.
A mi esposo Julio por su apoyo incondicional,
tu amor y comprensión me han permitido llegar hasta esta meta.
A mi hijo Samuel, que ha sido mi compañía
y por quien es toda mi dedicación y esfuerzo.
A mi hermana Fernanda por brindarme su ayuda
en el tiempo que necesite.
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios, mi Padre celestial y mi fortaleza, que me ha concedido el regalo de la vida, y todo lo
que en ella he podido disfrutar, a él toda la gloria y honra.
A esta prestigiosa Universidad que me abrió las puertas y proveyó de los conocimientos
necesarios para hacer realidad mí anhelo de ser Ingeniera Química.
A la Facultad de Ingeniería Química por su acertada labor en la formación de profesionales de
excelencia.
Al Ing. Ricardo Narváez coautor de este trabajo y buen compañero, gracias por todo tu apoyo y
dirección.
Al INER por su apertura y apoyo en la realización de este trabajo de graduación.
A mis Padres, mi Esposo y familiares que siempre estuvieron a mi lado encaminándome para
culminar con éxito este sueño tan anhelado.
vii
CONTENIDO
Pág.
LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………….. xii
LISTA DE CUADROS…………………………………………………………………….. xv
LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………………… xvi
LISTA DE GRÁFICOS……………………………………………………………………. xvii
RESUMEN…………………………………………………………………………………. xix
ABSTRACT………………………………………………………………………………… xx
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………... 1
1. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………. 2
1.1. Microalgas. ……………………………………………………………………………. 2
1.1.1. Microalga Chlorella sp. …………………………………………………………… 4
1.1.2. Efecto de la temperatura en las microalgas. ……………....................................... 5
1.1.3. Efecto de cambios de pH en la microalgas.................................................................
1.1.4. Ventajas del uso de las microalgas como biomasa y sus aplicaciones.....................
5
5
1.1.5. Determinación cuantitativa de microalgas. ............................................................... 8
1.2. Biodiesel........................................................................................................................... 9
1.2.1. Propiedades del biodiesel. ......................................................................................... 9
1.2.2. Producción de biodiesel a partir de microalgas........................................................ 10
1.2.3. Reacción de transesterificación. ............................................................................... 12
1.3. Técnicas de recuperación de biomasa.......................................................................... 12
1.3.1. Floculación.................................................................................................................. 13
1.3.2. Filtración..................................................................................................................... 15
1.4. Centrifugación................................................................................................................ 15
1.4.1. Centrífuga..................................................................................................................... 17
1.4.2. Tipos de centrífugas…................................................................................................... 17
1.4.3. Especificaciones técnicas de la centrífuga del laboratorio. …................................... 18
1.5. Energía............................................................................................................................ 19
viii
1.5.1. Fuentes y tipos de energía. .......................................................................................... 19
1.5.2 Situación actual del consumo de energía. .................................................................... 21
1.6. Biomasa como recurso energético….............................................................................. 22
1.6.1. Clasificación de biomasa….......................................................................................... 22
1.6.2. Cultivos energéticos….................................................................................................. 23
2. MATERIALES Y MÉTODOS…....................................................................................... 24
2.1. Diagrama del proceso experimental…............................................................................. 24
2.1.1. Descripción del proceso experimental…...................................................................... 25
2.2. Materiales y equipos........................................................................................................ 25
2.3. Sustancias y reactivos….................................................................................................. 26
2.4. Procedimiento experimental............................................................................................. 27
2.4.1. Procedimiento del conteo microcelular….................................................................... 27
2.4.2. pH y temperatura del cultivo......................................................................................... 27
2.4.3. Centrifugación............................................................................................................. 28
2.4.4. Secado de biomasa...................................................................................................... 29
2.4.5. Procedimiento para el análisis de centrifugación....................................................... 29
2.5. Diagrama de flujo del proceso experimental.................................................................. 31
3. DATOS EXPERIMENTALES........................................................................................... 32
3.1. Determinación de ensayos para el análisis de centrifugación…...................................... 32
3.2. Datos obtenidos de la centrifugación del cultivo de microalgas...................................... 32
3.2.1. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A1…......................... 33
3.2.2. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A2............................. 33
3.2.3. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A3............................. 33
3.2.4. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B1............................. 34
3.2.5. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B2............................. 34
3.2.6. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B3............................. 34
3.2.7. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B4............................. 35
3.2.8. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C1............................. 35
3.2.9. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C2............................. 35
3.2.10. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C3........................... 36
3.2.11. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C4........................... 36
3.2.12. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D1.......................... 36
3.2.13. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D2.......................... 37
3.2.14. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D3.......................... 37
3.2.15. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D4.......................... 37
ix
3.2.16. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E1........................... 38
3.2.17. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E2........................... 38
3.2.18. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E3........................... 38
3.2.19. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E4........................... 39
3.2.20. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F1........................... 39
3.2.21. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F2........................... 39
3.2.22. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F3........................... 40
3.2.23. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F4........................... 40
3.2.24. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G1.......................... 40
3.2.25. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G2.......................... 41
3.2.26. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G3.......................... 41
3.2.27. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G4.......................... 41
3.2.28. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H1.......................... 42
3.2.29. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H2.......................... 42
3.2.30. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H3.......................... 42
3.2.31. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H4.......................... 43
3.3. Datos técnicos de consumo de energía de la centrifugadora........................................... 43
3.3.1. Datos de potencia y potencial eléctrico de la centrifugadora...................................... 43
3.4. Datos del cargo tarifario según CONELEC..................................................................... 43
3.5. Datos del poder calórico de algunas sustancias: ............................................................. 44
3.6. Datos de masa y volumen del cultivo de microalgas....................................................... 44
4. CÁLCULOS....................................................................................................................... 45
4.1. Cálculo para la densidad celular...................................................................................... 45
4.1.1. Cálculo del promedio de células de microalgas contadas.......................................... 45
4.1.2. Cálculo de la densidad celular. .................................................................................. 45
4.2. Cálculo de la cantidad de biomasa separada por centrifugación. .................................... 46
4.2.1. Cálculo de la biomasa separada en cada ensayo de centrifugación............................ 46
4.2.2 Cálculo del promedio de biomasa separada. ................................................................ 46
4.3 Cálculo del rendimiento de centrifugación en tanto por ciento........................................ 46
4.4. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica.......................................................... 47
4.4.1. Cálculo del consumo de energía en kWh...................................................................... 47
4.4.2. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica...................................................... 48
4.5. Cálculo del factor para determinación de biomasa en función del volumen de
muestra...................................................................................................................................... 48
4.6 Cálculo de la cantidad de aceite contenido en la biomasa separada................................ 48
4.7 Cálculo de la cantidad de energía producida por cada gramo de aceite obtenido............. 49
x
4.7.1. Cálculo de la energía del aceite producido.................................................................. 49
4.7.2. Cálculo de la energía en kWh del aceite producido.................................................... 49
4.8. Cálculo del factor de conversión de volumen de cultivo a energía producida en
kwh............................................................................................................................................ 50
4.9. Cálculos para optimizar el proceso de centrifugación..................................................... 50
4.9.1. Determinación del volumen óptimo a centrifugar........................................................ 50
4.9.2. Cálculo de la densidad del cultivo de micro algas....................................................... 50
4.9.3. Cálculo de la masa del cultivo para el volumen óptimo de centrifugación.................. 51
4.9.4. Determinación de la factibilidad de centrifugar el volumen óptimo............................ 51
5. RESULTADOS................................................................................................................... 53
5.1. Resultados de la densidad celular, biomasa separada y rendimiento de
centrifugación............................................................................................................................ 53
5.1.1. Resultados para el ensayo A1....................................................................................... 53
5.1.2. Resultados para el ensayo A2....................................................................................... 53
5.1.3. Resultados para el ensayo A3....................................................................................... 54
5.1.4. Resultados para el ensayo B1....................................................................................... 54
5.1.5. Resultados para el ensayo B2....................................................................................... 54
5.1.6. Resultados para el ensayo B3....................................................................................... 55
5.1.7. Resultados para el ensayo B4....................................................................................... 55
5.1.8. Resultados para el ensayo C1....................................................................................... 55
5.1.9. Resultados para el ensayo C2....................................................................................... 56
5.1.10. Resultados para el ensayo C3..................................................................................... 56
5.1.11. Resultados para el ensayo C4..................................................................................... 56
5.1.12. Resultados para el ensayo D1..................................................................................... 57
5.1.13. Resultados para el ensayo D2..................................................................................... 57
5.1.14. Resultados para el ensayo D3..................................................................................... 57
5.1.15. Resultados para el ensayo D4..................................................................................... 58
5.1.16. Resultados para el ensayo E1..................................................................................... 58
5.1.17. Resultados para el ensayo E2..................................................................................... 58
5.1.18. Resultados para el ensayo E3..................................................................................... 59
5.1.19. Resultados para el ensayo E4..................................................................................... 59
5.1.20. Resultados para el ensayo F1..................................................................................... 59
5.1.21. Resultados para el ensayo F2..................................................................................... 60
5.1.22. Resultados para el ensayo F3..................................................................................... 60
5.1.23. Resultados para el ensayo F4..................................................................................... 60
5.1.24. Resultados para el ensayo G1..................................................................................... 61
xi
5.1.25. Resultados para el ensayo G2.................................................................................... 61
5.1.26. Resultados para el ensayo G3..................................................................................... 61
5.1.27. Resultados para el ensayo G4..................................................................................... 62
5.1.28. Resultados para el ensayo H1..................................................................................... 62
5.1.29. Resultados para el ensayo H2..................................................................................... 62
5.1.30. Resultados para el ensayo H3..................................................................................... 63
5.1.31. Resultados para el ensayo H4..................................................................................... 63
5.2. Resultados del promedio de biomasa separada................................................................ 63
5.3. Resultados del promedio de rendimiento de separación por centrifugación.................... 64
5.3.1. Diagramas de los resultados de centrifugación. .......................................................... 65
5.3.2. Análisis de separación de biomasa por centrifugación................................................. 68
5.4. Resultados de la energía producida de la biomasa y energía cinética necesaria para la
centrifugación........................................................................................................................... 72
6. DISCUSIÓN...................................................................................................................... 75
7. CONCLUSIONES............................................................................................................ 78
8. RECOMENDACIONES................................................................................................... 80
CITAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................... 81
BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................... 82
ANEXOS................................................................................................................................... 84
xii
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Nomenclatura para el análisis de centrifugación.................................................... 32
Tabla 2. Conteo celular y biomasa del ensayo A1................................................................ 32
Tabla 3. Conteo celular y biomasa del ensayo A2................................................................ 32
Tabla 4. Conteo celular y biomasa del ensayo A3................................................................ 32
Tabla 5. Conteo celular y biomasa del ensayo B1................................................................ 33
Tabla 6. Conteo celular y biomasa del ensayo B2................................................................ 33
Tabla 7. Conteo celular y biomasa del ensayo B3................................................................ 33
Tabla 8. Conteo celular y biomasa del ensayo B4................................................................ 34
Tabla 9. Conteo celular y biomasa del ensayo B1................................................................ 34
Tabla 10. Conteo celular y biomasa del ensayo C2................................................................ 35
Tabla 11. Conteo celular y biomasa del ensayo C3................................................................ 36
Tabla 12. Conteo celular y biomasa del ensayo C4................................................................ 36
Tabla 13. Conteo celular y biomasa del ensayo D1............................................................... 36
Tabla 14. Conteo celular y biomasa del ensayo D2............................................................... 37
Tabla 15. Conteo celular y biomasa del ensayo D3............................................................... 37
Tabla 16. Conteo celular y biomasa del ensayo D4............................................................... 37
Tabla 17. Conteo celular y biomasa del ensayo E1............................................................... 38
Tabla 18. Conteo celular y biomasa del ensayo E2............................................................... 38
Tabla 19. Conteo celular y biomasa del ensayo E3............................................................... 38
Tabla 20. Conteo celular y biomasa del ensayo E4............................................................... 39
Tabla 21. Conteo celular y biomasa del ensayo F1............................................................... 39
Tabla 22. Conteo celular y biomasa del ensayo F2............................................................... 39
Tabla 23. Conteo celular y biomasa del ensayo F3............................................................... 40
Tabla 24. Conteo celular y biomasa del ensayo F4............................................................... 40
Tabla 25. Conteo celular y biomasa del ensayo G1............................................................... 40
Tabla 26. Conteo celular y biomasa del ensayo G2............................................................... 41
Tabla 27. Conteo celular y biomasa del ensayo G3............................................................... 41
xiii
Tabla 28. Conteo celular y biomasa del ensayo G4............................................................... 41
Tabla 29. Conteo celular y biomasa del ensayo H1............................................................... 42
Tabla 30. Conteo celular y biomasa del ensayo H2............................................................... 42
Tabla 31. Conteo celular y biomasa del ensayo H3............................................................... 42
Tabla 32. Conteo celular y biomasa del ensayo H4............................................................... 43
Tabla 33. Datos de la centrifugadora...................................................................................... 43
Tabla 34. Datos del cargo tarifario......................................................................................... 43
Tabla 35. Poder calórico de algunos aceites........................................................................... 44
Tabla 36. Masa y volumen del cultivo de microalgas............................................................ 44
Tabla 37. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A1........ 53
Tabla 38. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A2........ 53
Tabla 39. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A3........ 54
Tabla 40. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B1........ 54
Tabla 41. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B2........ 54
Tabla 42. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B3........ 55
Tabla 43. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B4........ 55
Tabla 44. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C1........ 55
Tabla 45. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C2........ 56
Tabla 46. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C3........ 56
Tabla 47. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C4........ 56
Tabla 48. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D1........ 57
Tabla 49. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D2........ 57
Tabla 50. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D3........ 57
Tabla 51. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D4........ 58
Tabla 52. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E1........ 58
Tabla 53. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E2........ 58
Tabla 54. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E3........ 59
Tabla 55. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E4........ 59
Tabla 56. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F1........ 59
Tabla 57. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F2........ 60
Tabla 58. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F3........ 60
Tabla 59. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F4........ 60
Tabla 60. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G1........ 61
Tabla 61. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G2........ 61
Tabla 62. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G3........ 61
Tabla 63. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G4........ 62
xiv
Tabla 64. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H1........ 62
Tabla 65. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H2........ 62
Tabla 66. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H3........ 63
Tabla 67. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H4........ 63
Tabla 68. Promedio de biomasa separada para cada ensayo.................................................. 63
Tabla 69. Promedio del porcentaje de separación por centrifugación.................................... 64
Tabla 70. Rendimiento de separación promedio por centrifugación...................................... 68
Tabla 71. Cálculo de la función teórica para t1 de la separación por centrifugación............. 69
Tabla 72. Cálculo de la función teórica para t2 de la separación por centrifugación............. 70
Tabla 73. Tabla de resultados de energía producida y energía necesaria para la
centrifugación de biomasa. .................................................................................................... 72
xv
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Clasificación de las microalgas............................................................................. 2
Cuadro 2. Contenido de aceite en microalgas........................................................................ 3
Cuadro 3. Datos de área necesaria para producir biodiesel.................................................... 6
Cuadro 4. Composición de algunas especies de microalgas.................................................. 7
Cuadro 5. Propiedades del biodiesel...................................................................................... 10
Cuadro 6. Especificaciones técnicas de la centrífuga............................................................. 18
xvi
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Metabolismo de una microalga............................................................................... 3
Figura 2. Microalgas Chlorella cultivada en el laboratorio del
INER..................................... 4
Figura 3. Biorefinería de algas............................................................................................... 7
Figura 4. Tipos de bioenergía producida por microalgas....................................................... 8
Figura 5. Cámara de conteo celular de neubauer................................................................... 9
Figura 6. Proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas.................................... 11
Figura 7. Dosis de floculantes vs. Total de células removidas.............................................. 13
Figura 8. Eficacia de la eliminación de células por floculación con polímeros..................... 14
Figura 9. Eficiencia de células removidas por floculación con álcalis. ................................. 14
Figura 10. Variables que intervienen en la velocidad de sedimentación centrífuga……….. 16
Figura 11. Centrifuga por cargas de tubos del laboratorio INER.......................................... 18
Figura 12. Fuentes y tipos de energía..................................................................................... 20
Figura 13. Tipos de energía y sus transformaciones.............................................................. 21
Figura 14. Consumo mundial de energía................................................................................ 22
Figura 15. Distribución de energías renovables..................................................................... 22
Figura 16. Clasificación de la biomasa.................................................................................. 23
Figura 17. Diagrama del proceso experimental...................................................................... 25
xvii
LISTA DE GRÁFICOS
Pág.
Gráfico 1. Biomasa separa vs. Velocidad angular.................................................................. 64
Gráfico 2. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular..................................... 65
Gráfico 3. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular..................................... 66
Gráfico 4. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular (t = 2 min.).................. 66
Gráfico 5. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular (t = 4 min.).................. 67
Gráfico 6. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular (t = 6 min.).................. 67
Gráfico 7. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular (t = 8 min.).................. 67
Gráfico 8. % Rendimiento de centrifugación promedio vs. Velocidad angular..................... 68
Gráfico 9. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico t1 vs. Velocidad
angular..................................................................................................................................... 69
Gráfico 10. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico t2 vs. Velocidad
angular..................................................................................................................................... 70
Gráfico 11. % Rendimiento de centrifugación teórico vs. Velocidad angular....................... 71
Gráfico 12. Energía (J) vs Volumen de cultivo (L)................................................................ 73
Gráfico 13. Biomasa seca (g) vs Volumen de cultivo (L)...................................................... 74
Gráfico 14. Aceite de microalgas (kg) vs. Biomasa seca (g)................................................ 74
xviii
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Cultivo 1 microalgas Chlorella sp........................................................................ 85
Anexo B. Cultivo 2 microalgas Chlorella sp......................................................................... 86
Anexo C. Cultivo escalado del cultivo 2............................................................................... 87
Anexo D. Muestras de cultivo de microalgas para centrifugar............................................. 87
Anexo E. Muestra centrifugada a 300 RPM......................................................................... 88
Anexo F. Muestra centrifugada a 400 RPM.......................................................................... 89
Anexo G. Muestra centrifugada a 500 RPM......................................................................... 90
Anexo H. Muestra centrifugada a 3500 RPM....................................................................... 91
Anexo J. Residuo líquido después de centrifugar................................................................. 91
Anexo K. Biomasa separada y seca en los tubos de centrifugación..................................... 92
Anexo L. Biomasa seca recolectada en el análisis de centrifugación................................... 93
Anexo M. Balanza analítica laboratorio INER..................................................................... 93
Anexo N. Potenciómetro laboratorio INER.......................................................................... 94
Anexo P. Microscopio laboratorio INER............................................................................. 94
Anexo Q. Datos de potencia del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio
INER...................................................................................................................................... 95
Anexo R. Datos del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio INER.................. 96
xix
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR
BIOMASA PROVENIENTE DE MICROALGAS
RESUMEN
Determinación de las mejores condiciones de centrifugación de un cultivo de microalgas
Chorella sp. para separar biomasa como potencial recurso bioenergético.
Previo al estudio, se realizó un cultivo de microalgas hasta alcanzar la fase estacionaria y se
cuantificó la densidad celular inicial. Las variables analizadas en la centrifugación fueron la
velocidad desde 300 RPM hasta 6500 RPM, y el tiempo desde 2 min hasta 8 min. Se trabajó en
dos escenarios, en el primero se mantuvo constante la velocidad y se varió el tiempo, en el
segundo se trabajó de forma inversa. Luego de la centrifugación se caracterizó el líquido
remanente para determinar: el rendimiento de separación de biomasa con referencia a la
densidad celular inicial del cultivo, el promedio de biomasa seca obtenida, y la relación entre el
consumo de energía eléctrica del proceso de centrifugación con respecto a la cantidad teórica de
energía que se generaría de la biomasa, considerando el contenido de aceite de la microalga.
Se concluye que las mejores condiciones del proceso corresponden a 3500 RPM en un tiempo
de 2 min alcanzando un rendimiento del 98% de separación.
PALABRAS CLAVES: / CENTRIFUGACIÓN / RENDIMIENTO / SEPARACIÓN /
BIOMASA / MICROALGA CHLORELLA SP./
xx
OPTIMIZATION OF THE PROCESS OF CENTRIFUGATION TO SEPARATE
BIOMASS FROM MICROALGAE
ABSTRACT
Determining the best conditions for centrifuging of the culture of micro-algae Chorella sp. to
separate biomass as a potential bioenergetic resource.
Prior to this study, micro-algae were cultivated up until the stationary growth phase and the
initial cellular density was calculated. The variables analyzed in this centrifugal process were
velocity, from 300 RPM to 6500 RPM, and time, from 2 minutes to 8 minutes. Two scenarios
were examined. The first maintained a constant velocity but varied the time, and the second
maintained a constant time but varied the velocity. After the centrifugal process, the remaining
liquid was separated in order to determine the amount of biomass yielded in reference to the
initial cellular density of the cultivation, the average dry biomass obtained, and the relation
between the consumption of electric energy of the centrifugal process with to the theoretical of
energy that would be generated by the biomass, considering the oil content of the micro-algae.
The results conclude that the best condition for the centrifugal process is a velocity of 3500
RPM for a duration of 2 minutes, which results in a separation of 98 percent.
KEY WORDS: CENTRIFUGAL PROCESS / YIELD / SEPARATION / BIOMASS /
MICRO‐ALGAE CHLORELLA SP./
1
INTRODUCCIÓN
En la actualidad la búsqueda de nuevas fuentes de energía renovable y sustentable se ha vuelto
una prioridad en las políticas de muchos países. El denominado “oro verde” se está extendiendo
con mucha fuerza en el campo investigativo ya que se ha puesto en mira la producción de
biodiesel a partir del cultivo de microalgas, porque su reproducción es rápida, y en su
composición existe un determinado porcentaje de lípidos que pueden ser transformados en
biodiesel.
La producción de biodiesel a partir de girasol, soya o palma resulta perjudicial para el medio
ambiente puesto que ocupa y desgasta grandes cantidades de terrenos que podrían ser destinados
para la producción de alimentos versus la ventaja de cultivar microalgas en menor espacio de
cultivo y generar mayor producción de energía. De esta forma, las microalgas se han convertido
en un recurso renovable energético amigable con nuestro ecosistema, ya que favorablemente las
microalgas absorben CO2.
Al conocer que el cultivo de microalgas es un nuevo recurso bioenergético, se presenta la
necesidad de investigar las ventajas y desventajas de su uso en la producción de biodiesel, por lo
que es necesario analizando aspectos del proceso en cada etapa como energía consumida y
producida, para poder determinar la factibilidad de que esta nueva fuente de biomasa pueda ser
catalogada como un recurso energético favorable. Dentro de las etapas del procesamiento de
microalgas, es de particular importancia su cosecha, que consiste en separar la biomasa del agua
mediante operaciones como sedimentación, filtración, floculación, centrifugación, entre otras.
Cada proceso de separación tiene sus propias características, pero la centrifugación presenta
mejores resultados por su rapidez y rendimiento, pero que encuentra un limitante en la
necesidad de consumir energía para su efecto. Es por esto que se plantea determinar las mejores
condiciones en este proceso de manera que la energía consumida sea menor a la energía
producida por las microalgas, mediante el análisis de la centrifugación, manipulando las
variables de tiempo y velocidad de centrifugación, con la finalidad de lograr un alto rendimiento
de separación de biomasa con tiempo y rapidez de centrifugación mínimos reduciendo el
consumo de energía en relación a la energía que teóricamente se puede producir de la biomasa
proveniente de microalgas.
2
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Microalgas.
Las microalgas pertenecen a un grupo muy diverso de algas microscópicas unicelulares, su
elemento principal es la clorofila A. Generalmente habitan en medios acuáticos.
“Las células de microalgas puedes ser tanto procariotas como eucariotas, llegándose a establecer
más de 26000 especies distintas de microalgas conocidas, suponiendo un número mayor aún por
descubrir.”[1]
Las microalgas son los primeros microorganismos fotosintéticos, debido a su estructura
unicelular son eficientes en el uso de la luz y absorción de nutrientes, en el metabolismo de las
microalgas se absorbe CO2 y se producen lípidos que son materia prima para la producción de
biodiesel entre otros productos.
Cuadro 1. Clasificación de las microalgas
Fuente: PORTILLA, Alejandra y KOCH, Andrés. Evaluación del rendimiento de producción
de aceite en cuatro microalgas nativas. Trabajo de Grado. Ingeniero Biotecnólogo. Escuela
Superior Politécnica del Ejército. Facultad de Biotecnología. Quito. 2010. p. 5
3
Figura 1. Metabolismo de una microalga
Fuente: POSTEN, Clemens and WALTER, Christian. Microalgal Biotechnology: Potential and
Production, Printing and binding: Hubert & Co., Göttingen, Printed in Germany 2012 by Walter
de Gruyter GmbH, Berlin/Boston. p. 42
Las microalgas dependiendo del tipo y por su metabolismo pueden contener o generar distintas
cantidades de aceite.
Cuadro 2. Contenido de Aceite en microalgas
Fuente: PORTILLA, Alejandra y KOCH, Andrés. Evaluación del rendimiento de producción
de aceite en cuatro Microalgas nativas. Trabajo de Grado. Ingeniero Biotecnólogo. Escuela
Superior Politécnica del Ejército. Facultad de Biotecnología. Quito. 2010. p. 6
4
1.1.1. Microalga Chlorella sp. “Es un alga verde de forma elipsoidal, la cual crece en forma de
células simples. Pertenece a la división Chlorophyta y a la clase de las Chlorophyceae. Se ha
cultivado de forma intensiva con fines de alimentación y obtención de metabolitos. El sistema
por lote es el más utilizado a gran escala por su bajo riesgo de contaminación y fácil
implementación. Este género ha sido aplicado al tratamiento biológico de aguas residuales,
demostrando su efectividad en la remoción de nitrógeno, fósforo, demanda química de oxígeno
y metales.” [2]
Tiene forma esférica, miden de 2 a 10 μm de diámetro, y no posee flagelo.
La Chlorella contiene los pigmentos verdes fotosintetizadores clorofila-a y -b en su cloroplasto.
A través de la fotosíntesis se multiplica rápidamente, requiriendo sólo dióxido de
carbono, agua, luz solar y pequeñas cantidades de minerales para su multiplicación.
Las microalgas por su estructura y comportamiento natural son un material de cultivo factible
para la producción de biodiesel, crecen rápidamente sin mayor intervención humana, y su
contenido de aceite es relativamente alto.
Además se ha comprobado que el espacio a ocupar para su cultivo es mínimo en comparación
con el espacio necesario para el cultivo de soya, palma o girasol. Su mantenimiento y cuidado es
menos costoso que otras fuentes de biomasa.
Figura 2. Microalgas Chlorella cultivadas en el laboratorio del INER (Instituto Nacional
de Eficiencia Energética y Energías Renovables)
5
“Los efectos de temperatura y pH en el crecimiento de microalgas son:
1.1.2. Efecto de la temperatura en las microalgas.- Las temperaturas inferiores a 16ºC
ralentizan el crecimiento, mientras que las superiores a 35ºC son letales para algunas especies.
A una temperatura de 28ºC se ha observado un crecimiento óptimo, incluso un aumento del
nivel volumétrico de las microalgas.
1.1.3. Efecto de cambios de pH en la microalgas.- El intervalo de pH para las especies de
algas más cultivadas es entre 7 y 9, siendo la gama óptima 8.02 a 8.07. En experimentaciones,
se ha observado que al aumentar el pH de un cultivo de microalgas Chlorella, estas llegan a
unirse, como un efecto contrario a su dispersión.” [3]
1.1.4. Ventajas del uso de las microalgas como biomasa y sus aplicaciones.- “Las microalgas
tienen mayor rendimiento de crecimiento y producción de biomasa por hectárea,
aproximadamente 3,8% frente a un 0,5% que producen los cultivos energéticos convencionales
a partir de plantas terrestres como caña de azúcar, palma, maíz, etc. Requiere de 1,5 a 3,2
millones de hectáreas para satisfacer el 50% de las demandas de energéticos de transportación
en U.S.A.
Tienen una mayor capacidad de captar el CO2. Por ejemplo, por cada 100 ton de microalga
producidas, se consumen 183 toneladas de CO2.”[4]
“Son capaces de crecer en un medio líquido marino, o en aguas residuales, con lo que se
reduce el consumo de agua dulce para su producción.
Se utiliza para la biorremediación de aguas residuales municipales e industriales para el
tratamiento de nitrógeno y fósforo.
La producción de biomasa no es estacional y puede ser cosechada por lotes casi todo el año.
Las microalgas pueden ser cultivadas sin el uso de fertilizantes y pesticidas, lo cual resulta
en menos residuos y menos contaminación de la biomasa.
Las microalgas además de su utilidad como bioremediadores de aguas residuales producen
biomasa con un valor añadido generando coproductos o subproductos (por ejemplo,
proteínas, polisacáridos, pigmentos, los biopolímeros, alimentos para animales, fertilizantes,
etc.).
Es una fuente de energía en la generación de biocombustibles (combustible para aviones,
gasolina de aviación, biodiesel, gasolina y bioetanol).”[5]
La producción de algas podría ser utilizado para la fabricación de medicamentos y vacunas
por la industria farmacéutica.
6
Coproductos de la producción de biodiesel, tales como glicerol, pueden ser una entrada al
sector de la química industrial.
Una biorefinería de algas también puede producir co-productos de valor añadido que pueden
ser utilizados directa o indirectamente en la comida, en la Figura 3, se presenta un diagrama
de flujo de una biorefinería de algas.
Se pueden producir distintos tipos de bioenergía a partir de las micro y macro algas, muchos
productos pueden ser primarios, pero otros dependerán de otros procesos para su obtención
como se muestra en la figura 4.
Cuadro 3. Datos de área necesaria para producir biodiesel
a For meeting 50% of all transport fuel needs of the United States.
b 70% oil (by wt) in biomass.
c 30% oil (by wt) in biomass
Fuente: CHISTI, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances. Palmerston
North, Nueva Zelanda: ELSEVIER. p. 296
7
Figura 3. Biorefinería de algas
Fuente: GORDON, Richard and SECKBACH, Joseph, The Science of Algal Fuels, Ficología,
Geología, Biofotónica, Genómica y Nanotecnología. Editorial Springer, Nueva York, 2012. p.
27.
Cuadro 4. Composición de algunas especies de microalgas
Fuente: GORDON, Richard and SECKBACH, Joseph, The Science of Algal Fuels, Ficología,
Geología, Biofotónica, Genómica y Nanotecnología. Editorial Springer, Nueva York, 2012. p.
51
8
Figura 4. Tipos de bioenergía producida por micro y macro algas
Fuente: GORDON, Richard and SECKBACH, Joseph, The Science of Algal Fuels, Ficología,
Geología, Biofotónica, Genómica y Nanotecnología. Editorial Springer, Nueva York, 2012. p.
28.
1.1.5. Determinación cuantitativa de microalgas.- Para determinar la cantidad de algas
presente en una muestra, en el caso de colonias unialgales, es recomendable utilizar cámaras
como el hematocitómetro o la cámara de Neubauer, esta cámara posee áreas de recuento en
superficies delicadas de espejo, en las que se encuentra una rejilla grabada, esta rejilla muestra
grabada una cuadrícula de nueve cuadrados.
Algunos hemocitómetros pueden ser de 0,1 mm o 0,2 mm de profundidad y puede poseer
diferentes subdivisiones de la cuadrícula. La cámara usada para el conteo de microalgas es del
tipo de 0,1 mm de profundidad (cámara de Neubauer) con una capacidad de 0.0001 mL en cada
cuadrado terciario; cada cámara de la contiene nueve cuadrados grandes de 1mm separada por
fallos dobles o triples.
El volumen en nueve grandes plazas es 0,0009 mL, en la retícula central, la cámara de
Neubauer tiene un cuadrado primario que contiene nueve cuadrados secundarios, cada uno de
ellos dividido a su vez en 16 cuadrados terciarios.
El cuadrado secundario central contiene no 16, sino 25 cuadrados, cada uno de ellos dividido a
su vez en 16 cuadrados cuaternarios.
Para determinar la concentración de células por cada mL de muestra, sume las células contadas
en los cuadrados grades de 1mm y divida por el número de cuadrados contados, para así obtener
el número promedio de células por cuadrado.
Micro y Macro Algas
Lípidos
Biodiesel
Carbohidratos
Bioetanol
Biomasa
Metanol
Hidrocarburos
Alkanos
Hidrógeno
9
Multiplique este número celular promedio por 10.000 para obtener el número de células por mL.
Figura 5. Cámara de conteo celular de Neubauer
Fuente: DIPROLAB. Productos de cristalería [en línea]. Costa Rica. [Fecha de
consulta: 8 Agosto 2014]. Disponible en: <http://diprolabcostarica.com/nuestros-
productos/cristaleria/ >
1.2. Biodiesel
Según la ASTM (American Society for Testing and Materials) es un combustible compuesto de
monoalquil ésteres de ácidos grasos de cadena larga proveniente de aceites vegetales o de grasa
animal. Se presenta como una alternativa bioenergética, como sustituto del diésel proveniente
del petróleo.
1.2.1. Propiedades del Biodiesel.- Se han estudiado las propiedades del biodiesel y se han
tabulado los resultados obtenidos con respecto a otros combustibles, como se muestra en el
cuadro 5.
La información del cuadro, muestra que el biodiesel proviene de una fuente renovable, tiene un
punto de ebullición semejante al proveniente del petróleo. Esta temperatura restringe su
volatilización proporcionando seguridad en su manipulación a condiciones ambientales, tiene
una alta densidad energética por cada litro de biocombustible, lo que hace que su rendimiento
sea alto y genere menos contaminación.
10
Debido a estas características, y por ser un recurso renovable, se ha fomentado la investigación
de obtención de aceite proveniente de distintos organismos, sin afectar la estabilidad y consumo
alimenticio del ser humano, por lo que se ha estudiado la obtención de aceites proveniente de
microorganismo como las microalgas.
Cuadro 5. Propiedades del biodiesel
a: FAME,
b: Schaub and Vetter (2008),
c: También se usa como materia prima el aceite vegetal (éster de glicerina),
d: A 1 bar,
e: Rapeseed-metil-éster RME,
f: Variable,
g: A 15◦C, h: A 300 bar.
Abreviaciones: DE: Motor de diésel, OE: Motor de Otto, FC: Pila de
Fuente: DÁVILA, Ana. Evaluación de las condiciones de cultivo autotrófico de microalgas
Chlorella para la producción de biodiesel. Tesis de grado de Ingeniero Ambiental. Universidad
San Francisco de Quito, Colegio de Ciencias e Ingeniería. Quito, Mayo del 2013. p. 24
11
1.2.2. Producción de biodiesel a partir de microalgas.- El proceso de producción consiste en
varias etapas:
a) Cultivo: se lo realiza en un medio acuático, en esta etapa se alimenta a las microalgas con los
nutrientes necesarios y también se le provee de CO2 (g) y aire comprimido, debe estar en un
sitio iluminado y en constante agitación. Esta etapa durará el tiempo necesario hasta que las
microalgas alcancen su mayor concentración.
En condiciones óptimas, sin contaminación, las algas pueden desarrollarse de manera
continua. Sin embargo habrá que suministrar periódicamente cultivos de algas al sistema.
Entre 50 y 150 gramos de biomasa seca se pueden obtener por metro cúbico diariamente en
condiciones favorables dentro de foto-bio-reactores.
b) Cosechado: consiste en separar las microalgas del agua, el método de separación más eficaz
por su rapidez es la centrifugación.
c) Secado: una vez obtenida la biomasa separada del agua, se procede a secar.
Este procedimiento puede ser natural con luz solar o en una mufla eléctrica, lo más
recomendable es aprovechar la luz solar y no consumir electricidad.
d) Extracción de Aceite: una vez obtenida la biomasa seca, se procede a extraer el aceite de las
microalgas, mediante prensado.
e) Obtención del biodiesel: en condiciones necesarias de presión y temperatura se realiza la
reacción de transesterificación del aceite obtenido de las microalgas convirtiéndolo en
biodiesel.
Figura 6. Proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas
12
1.2.3. Reacción de transesterificación.- Consiste en una reacción de moléculas de triglicéridos
con alcoholes de bajo peso molecular para producir ésteres y glicerina.
La reacción de transesterificación requiere 3moles de alcohol por cada mol de triglicérido, para
producir un mol de glicerol y 3 moles de metil-ester.
Esta reacción tiene que ser catalizada, se puede usar como catalizador sustancias ácidas o
básicas, y enzimas lipasa, la reacción con catalizador básico es mucho más rápida que con otras
sustancias, los álcalis más usados son hidróxido de sodio o potasio en una concentración del 1%
en peso con relación a la cantidad de aceite.
(1)
1.3. Técnicas de recuperación de biomasa.
La Biomasa puede ser cosechada por centrifugación, filtración, y en algunos casos por
sedimentación.
La separación de biomasa presenta dificultades debido al pequeño tamaño de las microalgas (3-
30 µm), por lo que es recomendable realizar una floculación previa a las técnicas de separación.
La recuperación de Biomasa contribuye con el 20-30% del costo total de producción, por lo que
es de gran importancia conocer, caracterizar y diferenciar las distintas técnicas.
13
Para obtener productos con valores bajos se recomienda realizar una sedimentación previa a una
floculación, pero esta técnica es relativamente lenta, y debido al gran volumen a separar se
requiere de un gran espacio solo para la sedimentación.
Productos con valores altos provienen de biomasa centrifugada, con esta técnica se puede
procesar grandes volúmenes con tiempos relativamente rápidos.
A continuación una descripción de los distintos métodos de recuperación de biomasa:
1.3.1. Floculación.- Las células de las microalgas, llevan una carga negativa que evita la
agregación de células en suspensión.
La carga de la superficie puede ser neutralizada o reducida mediante la adición de floculantes
tales como cationes multivalentes y polímeros catiónicos para el cultivo.
Idealmente, los floculantes utilizados deben ser baratos, no tóxicos, y eficaces en baja
concentración. Además, el floculante debe ser seleccionado de manera que su tratamiento
adicional no se vea afectado negativamente por su uso. Sales de metales multivalentes son
floculantes o coagulantes eficaces.
Las sales usadas comúnmente son cloruro férrico (FeCl3), sulfato de aluminio (Al2 (SO4) 3,
alumbre) y sulfato férrico (Fe2 (SO4) 3). El alumbre es un floculante eficaz para microalgas
Scenedesmus y Chlorella.
Figura 7. Dosis de floculantes vs. Total de células removidas
14
Figura 8. Eficacia de la eliminación de células por floculación con polímeros
Fuente: GRIMAA, /et. al/. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options
and economics, Biotechnology Advances. Palmerston North. Nueva Zelanda: ELSEVIER. pp.
494-495
A veces, la floculación eficaz se logra simplemente cambiando el pH del caldo de las algas. En
un estudio, se logró extensa floculación a valores de pH entre 11,8 y 12, sin otros floculantes
añadidos.
Figura 9. Eficiencia de Células removidas por floculación con álcalis.
Fuente: GRIMAA, /et. al/. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options
and economics, Biotechnology Advances. Palmerston North. Nueva Zelanda: ELSEVIER. p.
496.
15
1.3.2. Filtración.- Para la separación microalgas grandes como Coelastrum proboscideum y
Spirulina platensis conviene el uso de filtros-prensas que funcionen bajo presión o vacío pero no
recuperan organismos cercanos a dimensiones bacterianas (por ejemplo, Scenedesmus,
Dunaliella, Chlorella)
Para las pequeñas células de Dunaliella, la filtración a través de filtros de arena, fibras de
celulosa y otros materiales de filtro no ha demostrado ser práctica.
1.4. Centrifugación.
Es una operación básica que permite la separación de sustancias debido al efecto de
sedimentación utilizando un campo centrífugo en lugar de un gravitatorio. Esta operación
permite la separación de sistemas líquido – sólido o líquido-líquido.
Al ser la centrifugación una sedimentación acelerada, se califica como el mejor proceso de
separación de las microalgas cultivadas.
Con la centrifugación se acelera el proceso de separación pero los estudios indican que tienen
una alta demanda energética, aproximadamente de 3.000 kW/ton de biomasa separada.
La aceleración centrípeta no es constante, depende del radio de giro, y se puede calcular
mediante la ecuación:
a= w2 r (2)
En donde:
a = aceleración
w = velocidad angular
r = radio de giro
Para determinar la velocidad de sedimentación de una partícula en la centrifugadora, se
reemplaza la aceleración centrífuga en la Ley de Stokes.
Ley de Stokes:
(3)
16
Velocidad de sedimentación en la centrifugación:
(4)
En donde:
dp = diámetro de la partícula
ρL = densidad del fluido
ρp = densidad del sólido
µ = viscosidad del fluido
ω = Velocidad angular
r = radio de giro.
De acuerdo con la Ec. 4, la velocidad de sedimentación de la partícula se incrementa hasta
100000 veces más que la sedimentación por gravedad.
En esta ecuación se identifican las variables que intervienen en la rapidez de sedimentación de
las partículas, observándose que existe una relación directamente proporcional con el diámetro y
densidad de las partículas y líquido, el radio de giro y la velocidad angular, mientras hay una
relación inversamente proporcional con la viscosidad del líquido.
Se observa que para aumentar la rapidez de sedimentación será necesario aumentar las variables
directamente proporcionales y disminuir las variables inversamente proporcionales.
Figura 10. Variables que intervienen en la velocidad de sedimentación centrífuga
Var
iab
les
Dir
ecta
men
te
Pro
po
rcio
nal
es
• Densidad de la partícula
• Diámetro de la partícula
• Velocidad angular
• Radio de Giro
Var
iab
les
Inve
rsam
ente
P
rop
orc
ion
ales
• Densidad del líquido
• Viscosidad del líquido
17
La recuperación centrífuga puede ser rápida, pero consume mucha energía. Sin embargo, la
centrifugación es el método preferido de recuperación de células de algas.
La recuperación de la biomasa en una centrífuga de sedimentación depende de las
características de las células, el tiempo de residencia, la suspensión de células en la
centrifugadora, y la profundidad de asentamiento que se puede mantener pequeña mediante el
diseño de la centrífuga.
El tiempo de residencia de la suspensión en la centrífuga puede ser controlado mediante el
control de la velocidad de flujo
1.4.1. Centrífuga.- Es una máquina diseñada para someter el material contenido en ella, o que
pasa por ella, a un movimiento rotativo el que tiende a separarse en virtud de su inercia o de su
fuerza centrífuga.
1.4.2. Tipos de Centrífugas:
Centrifuga intermitente o por cargas. Retiene el material cargado y lo somete a la acción
de la fuerza centrífuga para lograr una separación de sus componentes.
Este tipo de centrífuga es aplicable para una operación por lotes y dependerá de su
capacidad.
Centrífuga continua. Es un dispositivo que permite una alimentación y descarga continua,
mediante la alimentación de una corriente constante de material que ingresa al aparato
centrífugo en donde por efecto de la fuerza centrífuga se logra la separación de los materiales
contenidos en la alimentación, y se descarga continuamente por la salida de la centrífuga.
Clarificador centrífugo. Somete un material sólido o líquido a al efecto de la fuerza
centrífuga para separar sus contaminantes sólidos o líquidos.
Separador centrífugo. Somete una masa o corriente de líquidos mezclados a la fuerza
centrífuga para separarlos.
Purificador centrífugo. Dispositivo diseñado para eliminar contaminantes (agua o lodo) de
una corriente líquida en forma continua.
18
Centrífuga de tubos, tiene copas portadoras de tubos de ensayo graduados que contienen
líquidos sometidos a fuerzas centrífugas durante tiempo concretos, con la finalidad de medir
las cantidades de componentes y estimar su separabilidad en investigaciones.
Figura 11. Centrifuga por cargas de tubos del Laboratorio INER (Instituto Nacional de
eficiencia energética y energías renovables)
Centrífuga de canasta, se llena con una masa de materiales, para eliminar centrífugamente
el agua o líquidos que contenga y separar el sólido.
Filtro centrífugo, tiene un medio filtrante para atrapar y retener los sólidos mientras deja
pasar a su través los líquidos y los descarga.
1.4.3. Especificaciones Técnicas de la Centrífuga del Laboratorio. Datos tomados del
manual técnico de la centrifugadora utilizada en la experimentación, Modelo Sorvall ST
16/16R. Ver Anexo R.
Cuadro 6. Especificaciones técnicas de la centrífuga
Característica Valor
Voltaje 120 V
Frecuencia 60 Hz
Corriente Nominal 9.5 A
Potencia de Consumo 850 W
Equipamiento fusible 15 AT
Límites de Temperatura Ambiente +2ºC - +35ºC
19
Cuadro 6. (Continuación)
Disipación de Calor 3901 BTU/h
Tiempo de Uso Ilimitado
Velocidad Máxima 15200 RPM
Velocidad Mínima 300 RPM
Máxima Energía Cinética 51.7 kJ
Nivel de ruido a la máxima velocidad < 63 dB
1.5. ENERGÍA
Energía es una propiedad de la materia, cuyo concepto físico la define como la capacidad que
tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Es una magnitud física derivada que puede ser
cuantificada en sus distintos tipos, sus unidades de medida en el S.I. es el Julio simbolizado por
J, dimensionalmente equivale a [ML2T
-2].
La energía según la ley de conservación no se crea ni se destruye solamente se transforma.
Es una propiedad de la materia muy importante y valiosa en el desarrollo humano y de todo ser
vivo en el planeta, en sus distintos tipos, fuentes y conversiones el ser humano aplica la energía
en muchos ámbitos de la vida para un adecuado desarrollo, el uso energético ha existido desde
el principio de los tiempos en forma natural, aprovechándose energías naturales, como la solar,
eólica, hidráulica, etc., pero conforme la ciencia ha avanzado se ha logrado convertir y producir
otros tipos de energía, sin prever que sus fuentes pueden ser limitadas y además que su uso ha
provocado cierto grado de contaminación en nuestro planeta.
Actualmente debido a inconvenientes con las fuentes no renovables de energía y contaminación,
se han realizado investigaciones con la finalidad de potenciar el uso de fuentes renovables de
energía y a la vez amigables con nuestro ecosistema.
1.5.1. Fuentes y tipos de energía.- De manera general se ha logrado establecer que la energía
proviene de dos tipos de fuentes que son renovables y no renovables, y dependiendo de la fuente
se puede obtener un tipo de energía, como se muestra en la Figura 12.
20
Figura 12. Fuentes y tipos de energía.
Fuente: MARTINEZ, Adrian. Coste de las diferentes fuentes de Energía, [en línea].
España. [Fecha de consulta: 8 Agosto 2014]. Disponible en:
< http://www.eoi.es/blogs/adrianmartinezriera/files/2013/11/Energias2.jpg>
La energía que se obtiene depende de su fuente, puede ser de varios tipos pero puede
transformarse de acuerdo a la aplicación requerida, en la Fig. 13 se muestra los tipos de energía
y sus conversiones.
Entre los tipos de Energías se tiene:
Energía Mecánica: es la energía que poseen los cuerpos en movimiento.
Energía Térmica: es aquella que poseen los cuerpos debido a la cantidad de calor que
pueden absorber o ceder.
Energía Eléctrica: es la existente en las cargas eléctricas en movimiento.
Energía Química: es la que procede del interior de los cuerpos debido a su estructura
química y las reacciones que en su interior ocurren.
Energía Radiante: es aquella que proviene de ondas emitidas por radiación.
Un tipo de energía puede transformarse a otro tipo de energía, mediante procesos físicos y
químicos que pueden ser reversibles e irreversibles.
21
Figura 13. Tipos de energía y sus transformaciones
Fuente: MARTINEZ, Victor. La transformación de la energía, [en línea]. España.
[Fecha de consulta: 8 Agosto 2014]. Disponible en:
< http://www.eoi.es/blogs/victormartinezsalas/files/2013/11/Captura-de-pantalla-2013-
11-17-a-las-23.26.50-e1384864531580.png>
1.5.2 Situación actual del consumo de energía.- Actualmente el consumo de Energía en el
mundo se basa fundamentalmente en la energía primaria que corresponde a la obtenida de los
derivados del petróleo, combustibles fósiles como carbono y gas natural, y en un bajo aporte la
energía nuclear e hidráulica.
Debido a que la demanda de energía aumenta y las fuentes de energía primaria han sido
consumidas en gran parte de sus reservas, el mundo ha ido buscando nuevas alternativas de
energía y sobre todo que provengan de fuentes renovables, ya que son ilimitadas.
La mayor fuente de consumo energético en el mundo es el petróleo con un 42.3%, se observa
que ha existido una disminución del consumo de carbón, un incremento en el consumo de
energía eléctrica, pero en cuanto a las energías renovables solo un pequeño aumento que refleja
un estancamiento en esta área, pero que en la actualidad está en la mira de las investigaciones
para lograr establecer las fuentes renovables como fuentes de energía limpias y sostenibles.
22
Dentro de las energías renovables que se usan se destaca la energía hidráulica, la madera y los
biocombustibles, en pequeña proporción la biomasa que es objeto de estudio del presente
trabajo.
En la Fig. 14 se presenta una comparación del consumo energético en los años de 1973 y 2004.
Figura 14. Consumo mundial de energía.
Figura 15. Distribución de energías renovables.
Fuente: FORO NUCLEAR. Energía y Sociedad. [en línea]. España. [Fecha de consulta: 8
Agosto 2014]. Disponible en:
<http://www.foronuclear.org/images/stories/imagenes/energianuclear/2010/faqs/16.jpg >
23
1.6. Biomasa como recurso Energético.
“Biomasa es toda materia orgánica que tiene su origen en un proceso bilógico. La formación de
biomasa vegetal (fitomasa), se lleva a cabo por el proceso de fotosíntesis mediante el cual las
plantas captan y utilizan la energía de la luz para transformar la materia inorgánica de su medio
externo en materia orgánica de elevado contenido energético, que utilizarán para su crecimiento
y desarrollo.” [6]
1.6.1. Clasificación de Biomasa.- “Su clasificación según su origen es:
Biomasa Natural: la que se produce en ecosistemas naturales, su explotación no es
compatible con la protección del entorno.
Biomasa Residual: son los residuos forestales y agrícolas, urbanos y biodegradables como
efluentes ganaderos o lodos de depuradoras.
Cultivos energéticos: se realizan con el único objetivo de aprovechar la energía que
contienen, ya que producen grandes cantidades de materia viva por unidad de tiempo.
Excedentes Agrícolas: están constituidos por los productos agrícolas que no emplea el
hombre.” [7]
Figura 16. Clasificación de la biomasa
BIOMASA
Cultivos Energéticos
Cultivos Tradicionales
Cultivos poco frecuentes
Cultivos acuáticos
Cultivos para producir
combustible líquido
Biomasa Vegetal
Biomasa Residual
Residuos Industriales
Forestales Agroalimentarios Agrícolas
Residuos agrícolas y forestales
Residuos Urbanos
Residuos Ganaderos
Exedentes agrícolas
24
1.6.2. Cultivos energéticos.- Se denomina a aquellos cultivos de crecimiento rápido destinados
únicamente a la obtención de energía o como materia prima para la obtención de otras
sustancias combustibles. Entre los cultivos energéticos destinados a la producción de biomasa
se suelen distinguir los siguientes:
“Cultivos Productores de biomasa lignocelulósica: se utilizan principalmente para la
producción de calor mediante su combustión directa e calderas, lo que permite su uso en
desecación y en generación de vapor.
Cultivos cuyo procesamiento genera combustibles líquidos, tal es el caso de los aceites
vegetales o de algas con diferentes grados de transformación para la obtención de biodiesel y
los alcoholes obtenidos por destilación, llamados biocarburantes.”[8]
25
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Diagrama del Proceso Experimental.
Figura 17. Diagrama del proceso experimental
Cultivo de Microalgas
(Fase estacionaria de crecimiento)
Caracterización del Cultivo
pH
Temperatura
Densidad
Microcelular
Análisis del Cosechado de Biomasa por Centrifugación
Variación del Tiempo de
Centrifugación a Velocidad angular
Constante.
Variación de la Velocidad Angular
a Tiempo de Centrifugación
Constante.
Determinación del
rendimiento de
separación
Promedio de la cantidad
de Biomasa separada
Valoración del consumo
energético debido a la
centrifugación
Proyección de la
energía a obtener de la
Biomasa separada.
Análisis de la Energía
Consumida vs la
Energía producida.
26
2.1.1. Descripción del Proceso Experimental. Para el análisis del cosechado de biomasa por
centrifugación, se inicia con la caracterización del cultivo de microalgas en su fase estacionaria
de crecimiento.
Se toma una muestra del cultivo y se procede a la caracterización determinando los siguientes
parámetros: pH, temperatura y densidad microcelular con los procedimientos indicados
posteriormente.
Una vez caracterizado el cultivo, y conociendo la cantidad de microalgas presentes, se procede
al análisis del cosechado de biomasa por centrifugación, para lo cual se establecen las variables
de centrifugación que son tiempo y velocidad.
Se efectúa la toma de datos para experimentaciones con rapidez angular constante, variando el
tiempo de centrifugación y viceversa.
Se realiza la caracterización del líquido después de la centrifugación, lo cual permite determinar
mediante conteo celular, la densidad micro celular y de esta forma conocer el rendimiento de
separación de biomasa para cada experimentación.
Además, mediante un secado de la biomasa que ha sido separada mediante el proceso de
centrifugación, se determina el promedio de biomasa obtenida, resultado que permitirá la
determinación de la cantidad de energía obtenida de la biomasa al relacionarla con el porcentaje
de aceite teórico que contiene la especie de microalga en estudio.
Con las características técnicas de la centrifugadora usada, se procederá a la valoración del
consumo energético efectuado en cada experimentación y posteriormente con los resultados
obtenidos se comparará la cantidad de energía consumida vs la energía producida por la
biomasa obtenida, esto permitirá identificar las condiciones óptimas de centrifugación con la
finalidad de disminuir el consumo energético.
2.2. Materiales y Equipos
Centrifugadora de tubos R = (1-300) mL (300 – 15200) RPM P = 850 W
Balanza analítica Ap. = + 0.0001 g R = (0 – 210) g
Probetas (V=250 mL Ap=± 10 mL) ; (V=100 mL ; Ap = ± 1 mL)
27
Estufa
Envases plásticos de capacidad de 3 L.
Agitador
Jeringas de 10 mL y 5 mL
Erlhenmeyer ( V= 20 mL Ap=+ 5 mL) ; (V= 500 mL Ap = + 50 mL)
Potenciómetro (R: 0-14; Ap = ± 0,01)
Cronómetro (Ap=±0,01 seg)
Autoclave T=121 ºC; P=1,1 bar
Microscopio
Cámara de conteo de Neubauer
Cubre objetos
Tubos de centrifugación (V= 14 mL, Ap= + 1 mL)
Gradilla
Espátula pequeña
Picetas
Vasos de precipitación (V= 250 mL Ap= + 10 mL); (V=50 mL Ap= + 10 mL)
Tubos de ensayo ( V= 15 mL Ap= + 2 mL)
Tubos de vidrio con tapa
Compresor de pecera
Mangueras plásticas de 1/8’
Tubos fusible
Sorbetes plásticos
Caja Petri
Pipetas plástica ( V= 3mL Ap= + 0,5 mL)
Papel absorbente
Refrigeradora
2.3. Sustancias y Reactivos
Cultivo de microalgas Chlorella Sp.
Agua Tipo I y Tipo II H2O(l)
Fertilizante ( N, P, K )
Alcohol etílico 70% C2H6O (l)
Hipoclorito de sodio comercial NaClO (l)
Luz ultravioleta germicida
28
2.4. Procedimiento Experimental
2.4.1. Procedimiento del conteo microcelular
a) Si la muestra es muy concentrada, tomar con la jeringuilla previamente esterilizada con
alcohol y enjuagada con agua Tipo II, 1 mL de la muestra y diluirla en un determinado
volumen de agua, este dato servirá como factor de disolución.
b) Agitar la mezcla diluida y con una jeringuilla de 5 mL tomar una pequeña muestra para
colocarla en la cámara de conteo.
c) Preparar la cámara de Neubauer limpiando cuidadosamente con agua y un paño para evitar
rayones en el espejo de la cámara.
d) Colocar el cubre objetos sobre la zona de conteo.
e) Mezclar la muestra contenida en la jeringuilla, suavemente, y proceder a colocar una
pequeña gota entre el cubre objetos y la cámara lentamente, la capilaridad hará que la cámara
se llene con la suficiente cantidad de muestra.
f) Comprobar que la cantidad suministrada no se desborde en los fosos de la cámara, de lo
contrario repetir el procedimiento, ya que se tendrá un exceso de muestra para ser
contabilizada.
g) Permitir unos minutos de reposo para que las células se fijen en la cámara de conteo.
h) Observar por el microscopio, con el lente 40x, y enfocar el cuadrante A de la zona de conteo
de la cámara.
i) Contar las microalgas presentes en cada cuadro subdividido del cuadrante A, y anotar los
datos obtenidos, cada cuadrante se divide en 16 cuadrados más pequeños para contar.
j) Proceder con el conteo para los cuadrantes B, C y D de la cámara de Neubauer.
k) Registrar los datos obtenidos en cada cuadrante.
l) Una vez terminado el conteo, la cámara debe ser limpiada a fondo con agua y posteriormente
con alcohol, secar con un papel absorbente, y limpiar con paños libres de pelusa.
2.4.2. pH y Temperatura del cultivo.
a) Comprobar la calibración del potenciómetro con la soluciones buffer.
b) Tomar 30 mL de muestra del cultivo en un vaso de precipitación y determinar el pH de la
muestra. Registrar los datos obtenidos.
c) Con el sensor de temperatura del potenciómetro determinar la temperatura de la muestra.
29
2.4.3. Centrifugación
a) Encender la centrifugadora y abrirla
b) Sacar la tapa del rotor y colocar los porta-tubos de acuerdo al volumen a centrifugar, puede
ser de 15 mL o 50 mL cada tubo, con una capacidad de centrifugación de 6 tubos.
c) Colocar 10 mL de muestra de cultivo de algas a centrifugar en los tubos de centrifugación de
15 mL y colocarlos dentro de los porta-tubos en la centrifugadora. Tener en cuenta que el
peso debe estar equilibrado en la centrifugadora en el caso de no usar los 6 tubos
d) Colocar la tapa de seguridad del rotor y cerrar la tapa de la centrifugadora.
e) En el panel de control establecer el tiempo de centrifugación, la velocidad angular y fijar
como valor de aceleración y desaceleración de la centrifugador en 9, una vez establecidos
estos parámetros, presionar START.
f) Después de la centrifugación, abrir las tapas y sacar los tubos con muestra.
2.4.4. Secado de biomasa
a) De las muestras de biomasa centrifugadas, separar la parte líquida de la sólida, colocando el
líquido en tubos de vidrio con tapa, señalando los datos de centrifugación para su posterior
análisis.
b) La parte sólida (biomasa de microalgas) que queda en los tubos de centrifugación colocarlos
en la estufa por 4 horas a 80 ºC.
2.4.5. Procedimiento para el análisis de centrifugación.
Determinación de la mínima velocidad angular para separar la Biomasa
a) Tomar una muestra de 10 mL de cultivo de microalgas y colocarlo en el tubo de
centrifugación de 15 mL
b) Colocar el tubo con la muestra en un porta-tubos dentro de la centrifugadora, y colocar un
tubo con 10 mL de agua para equilibrar el peso en la centrifugadora.
c) Iniciar el ensayo de centrifugación con la mínima velocidad angular que en este caso es de
300 RPM y establecer como tiempo mínimo de centrifugación 2 min.
d) Fijar los parámetros de velocidad y tiempo en el panel de control de la centrifugadora y
presionar START para iniciar el proceso.
e) Al terminar la centrifugación, observar cualitativamente la separación de la biomasa, si la
muestra centrifugada no se ha logrado separar, repetir el procedimiento variando la velocidad
angular cada 100 RPM con el mismo tiempo de 2 min. hasta lograr observar la separación de
30
biomasa. (Anexo E, F y G) y empezar el análisis de centrifugación como velocidad angular
mínima la obtenida de la observación.
Variación del tiempo y velocidad angular para el análisis de centrifugación.
a) Determinar los parámetros de pH y temperatura del cultivo de microalgas que se va a
centrifugar.
b) Contar la densidad celular de microalgas presentes en el cultivo a centrifugar, con el
procedimiento de conteo señalado en el punto 2.4.1.
c) Registrar los datos de pH, temperatura, y densidad celular de la muestra de cultivo de
microalgas.
d) Obtener las masas de los tubos de centrifugación de 15 mL que se usará para el análisis en la
balanza analítica y registrar estos datos.
e) Colocar en los tubos de centrifugación 10 mL de muestra de cultivo de microalgas en cada
tubo, y etiquetarlos.
f) Realizar en 3 muestras, centrifugaciones para velocidades angulares de (500, 1000, 1800,
2500, 3500, 4500, 5500, y 6500) RPM, cada una con un tiempo de 2 min.
g) Repetir el procedimiento del numeral f, cambiando el tiempo a 4 min., 6 min. y 8 min.
h) Para cada centrifugación separar el líquido separado en un tubo de vidrio con tapa señalando
la rapidez y tiempo de centrifugación que corresponde, y almacenar en la refrigeradora
(detener el crecimiento celular), para su posterior conteo de células.
i) El sólido separado que queda en el tubo de centrifugación, colocarlo en la estufa por 4 horas
a una temperatura de 80 ºC.
j) Con el procedimiento de conteo micro celular antes señalado en el punto 2.4.1. determinar la
densidad celular del líquido que queda después de centrifugar, y registrar estos datos.
k) Una vez que la biomasa está seca, determinar la masa de los tubos con biomasa en la balanza
analítica, y registrar los datos obtenidos. Con cálculos determinar la masa de biomasa
separada en cada ensayo de centrifugación.
l) Registrar los datos de biomasa seca y densidad celular del líquido después de la
centrifugación para los 3 ensayos en cada experimentación y calcular los promedios
respectivos.
m) Calcular el rendimiento de separación de biomasa del cultivo de microalgas para cada ensayo
de centrifugación comparando los resultados de densidad celular del cultivo y del líquido
remanente después de la centrifugación.
31
2.5. Diagrama de Flujo del proceso experimental.
Microalgas Chlorella Sp.
Nutrientes y agua
Microalgas en Fase Est.
pH, Temperatura y
Densidad Celular
FASE LÍQUIDA FASE SÓLIDA
(Líquido del Cultivo) (Biomasa Húmeda)
T < 15 ºC
Rendimiento de Separación
y Optimización de la Centrifugación Biomasa de Microalgas
Seca T = 80 ºC
t = 4 h.
2.6. Diagrama de Operacionalización de Variables
Reactor Centrifugación
Secado
Refrigeración Conteo
Celular
32
3. DATOS EXPERIMENTALES
3.1. Determinación de ensayos para el análisis de centrifugación.
Tabla 1. Nomenclatura para el análisis de centrifugación
Tiempo /
Velocidad Angular 2 min 4 min 6 min 8 min
500 RPM ---- A1 A2 A3
1000 RPM B1 B2 B3 B4
1800 RPM C1 C2 C3 C4
2500 RPM D1 D2 D3 D4
3500 RPM E1 E2 E3 E4
4500 RPM F1 F2 F3 F4
5500 RPM G1 G2 G3 G4
6500 RPM H1 H2 H3 H4
Para cada ensayo se recopilaron 3 datos.
3.2. Datos obtenidos de la centrifugación del cultivo de microalgas.
Los datos recopilados para cada ensayo de centrifugación que se detalla en la Tabla 1, se
obtuvieron del conteo de células presentes en las muestras a centrifugar, conteo de células
presentes en el líquido obtenido después de centrifugar la muestra, la masa de los tubos de
centrifugación que se usaron y posteriormente la masa de los tubos con la Biomasa que se
separa después de la centrifugación.
A cada ensayo le corresponde un determinado valor de velocidad angular de centrifugación y
tiempo de centrifugación como se muestra en la Tabla 1, con 3 experimentaciones para cada
caso.
En todos los ensayos se centrifugaron 10 mL de muestra de cultivo en cada tubo.
33
3.2.1. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A1.
Tabla 2. Conteo celular y biomasa del ensayo A1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
12
1/10 469 443 489 442
5,783 5,7895 1/10 390 330 301 328
6 5,6704 5,6805 1/12 283 257 241 253
7 5,7604 5,7686 1/12 286 254 275 283
3.2.2. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A2.
Tabla 3. Conteo celular y biomasa del ensayo A2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
6
1/10 469 443 489 442
5,6677 5,68 1/11 183 214 209 228
8 5,6643 5,6736 1/12 193 186 194 169
9 5,7231 5,729 1/12 180 218 199 201
3.2.3. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A3.
Tabla 4. Conteo celular y biomasa del ensayo A3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
16
1/10 469 443 489 442
5,1682 5,1751 1/10 168 183 155 163
10 5,7198 5,736 1/11 138 138 147 148
11 5,7834 5,7907 1/11 149 133 151 137
34
3.2.4. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B1.
Tabla 5. Conteo celular y biomasa del ensayo B1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1
1/10 469 443 489 442
5,7052 5,7148 1/10 198 105 195 115
12 5,7831 5,7957 1/12 113 116 116 140
13 5,8138 5,8285 1/12 132 131 119 129
3.2.5. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo.
Tabla 6. Conteo celular y biomasa del ensayo B2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
3
1/10 469 443 489 442
5,6625 5,6745 1/8 107 101 99 103
14 5,7752 5,7849 1/10 65 83 77 75
15 5,7038 5,719 1/10 80 89 87 69
3.2.6. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B3.
Tabla 7. Conteo celular y biomasa del ensayo B3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
6
1/10 469 443 489 442
5,6677 5,68 1/5 90 88 93 95
16 5,1675 5,186 1/5 85 71 65 80
17 5,1799 5,1938 1/5 91 82 83 77
35
3.2.7. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B4.
Tabla 8. Conteo celular y biomasa del ensayo B4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
8
1/10 469 443 489 442
5,6652 5,6773 1/5 58 52 64 65
18 5,2496 5,2644 1/3 98 87 86 98
19 5,4076 5,4223 1/3 86 76 82 85
3.2.8. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C1.
Tabla 9. Conteo celular y biomasa del ensayo C1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
18 1/10 469 443 489 442 5,249 5,2644 1/5 87 96 92 108
1 1/12 405 395 381 342
5,7023 5,7138 1/2 228 243 243 253
2 5,6538 5,665 1/2 246 239 259 251
3.2.9. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C2.
Tabla 10. Conteo celular y biomasa del ensayo C2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
10 1/10 469 443 489 442 5,7144 5,7267 1/4 75 65 80 85
3 1/12 405 395 381 342
5,663 5,6784 1/4 80 86 85 73
4 5,9492 5,9618 1/4 86 83 81 88
36
3.2.10. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C3.
Tabla 11. Conteo celular y biomasa del ensayo C3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1 1/10 469 443 489 442 5,7008 5,7105 1/2 85 100 97 95
6 1/12 405 395 381 342
5,6682 5,6805 1/3 75 80 79 78
7 5,763 5,7721 1/3 82 71 77 77
3.2.11. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C4.
Tabla 12. Conteo celular y biomasa del ensayo C4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
3 1/10 469 443 489 442 5,6632 5,6745 0 96 120 114 105
8 1/12 405 395 381 342
5,6654 5,6769 1/2 67 77 79 83
9 5,7198 5,732 1/2 70 78 77 72
3.2.12. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D1.
Tabla 13 Conteo celular y biomasa del ensayo D1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
2 1/10 444 351 395 319 5,6523 5,6618 0 124 169 148 129
10 1/12 405 395 381 342
5,7161 5,7262 1/2 124 125 121 115
11 5,7835 5,7945 1/2 99 110 118 126
37
3.2.13. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D2.
Tabla 14. Conteo celular y biomasa del ensayo D2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1 1/10 444 351 395 319 5,7016 5,7178 0 133 159 142 140
12 1/12 405 395 381 342
5,7841 5,7954 1/2 103 78 88 104
13 5,812 5,8238 1/2 91 87 93 83
3.2.14. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D3.
Tabla 15. Conteo celular y biomasa del ensayo D3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
7 1/10 444 351 395 319 5,7601 5,7795 0 46 60 58 74
14 1/12 405 395 381 342
5,7741 5,7867 0 115 129 126 118
15 5,702 5,7152 0 80 71 76 78
3.2.15. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D4.
Tabla 16. Conteo celular y biomasa del ensayo D4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
6 1/10 444 351 395 319 5,6691 5,6848 0 148 139 158 175
16 1/12 405 395 381 342
5,1666 5,1821 0 117 111 104 110
17 5,1775 5,1914 0 121 117 110 119
38
3.2.16. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E1.
Tabla 17. Conteo celular y biomasa del ensayo E1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
2 1/10,4 419 474 460 423 5,6538 5,668 0 155 165 175 201
18 1/12 405 395 381 342
5,2479 5,2604 0 129 130 116 127
19 5,4063 5,4193 0 129 135 120 113
3.2.17. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E2.
Tabla 18. Conteo celular y biomasa del ensayo E2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
6 1/10,4 419 474 460 423 5,6685 5,6775 0 105 95 94 80
1 1/12 433 393 405 385
5,7018 5,718 0 138 118 152 121
2 5,6548 5,6695 0 133 150 138 138
3.2.18. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E3.
Tabla 19. Conteo celular y biomasa del ensayo E3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1 1/10,4 419 474 460 423 5,7019 5,71111 0 78 85 105 91
3 1/12 433 393 405 385
5,6687 5,6779 0 129 124 126 148
4 5,9492 5,9671 0 134 145 145 136
39
3.2.19. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E4.
Tabla 20. Conteo celular y biomasa del ensayo E4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
12 1/10,4 419 474 460 423 5,7836 5,7928 0 95 85 48 51
6 1/12 433 393 405 385
5,6716 5,6847 0 103 107 94 115
7 5,7593 5,7756 0 105 94 105 104
3.2.20. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F1.
Tabla 21. Conteo celular y biomasa del ensayo F1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1 1/10,4 419 474 460 423 5,7021 5,7123 0 180 190 195 158
8 1/12 433 393 405 385
5,6693 5,6815 0 147 140 138 142
9 5,7201 5,7353 0 133 119 147 124
3.2.21. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F2.
Tabla 22. Conteo celular y biomasa del ensayo F2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
4 1/10,4 419 474 460 423 5,9503 5,961 0 134 129 132 181
10 1/12 433 393 405 385
5,7139 5,7312 0 98 108 115 104
11 5,7835 5,7989 0 120 122 131 114
40
3.2.22. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F3.
Tabla 23. Conteo celular y biomasa del ensayo F3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
8 1/10,4 419 474 460 423 5,6658 5,6784 0 97 99 111 122
12 1/12 433 393 405 385
5,7832 5,7988 0 92 99 95 102
13 5,8148 5,8268 0 102 111 109 96
3.2.23. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F4.
Tabla 24. Conteo celular y biomasa del ensayo F4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
11 1/10,4 419 474 460 423 5,7835 5,7948 0 66 77 66 67
14 1/12 433 393 405 385
5,7734 5,7898 0 70 79 75 76
15 5,7026 5,7186 0 80 75 66 74
3.2.24. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G1.
Tabla 25. Conteo celular y biomasa del ensayo G1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1 1/10 454 483 435 468 5,7022 5,7121 0 92 91 93 100
16 1/12 433 393 405 385
5,1668 5,1838 0 108 107 105 100
17 5,1815 5,1936 0 96 81 94 92
41
3.2.25. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G2
Tabla 26. Conteo celular y biomasa del ensayo G2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
4 1/10 454 483 435 468 5,9502 5,9607 0 60 54 56 54
18 1/12 433 393 405 385
5,2493 5,263 0 52 41 41 41
19 5,407 5,4224 0 60 61 62 56
3.2.26. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G3.
Tabla 27. Conteo celular y biomasa del ensayo G3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
8 1/10 454 483 435 468 5,6657 5,6761 0 57 39 36 46
1 1/12 260 292 298 301
5,7032 5,7146 0 59 68 57 69
2 5,6558 5,6662 0 67 70 75 64
3.2.27. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G4.
Tabla 28. Conteo celular y biomasa del ensayo G4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
13 1/10 454 483 435 468 5,8123 5,8226 0 46 45 56 48
3 1/12 260 292 298 301
5,6649 5,6751 0 51 56 45 65
4 5,9509 5,9632 0 59 68 64 67
42
3.2.28. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H1.
Tabla 29. Conteo celular y biomasa del ensayo H1
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
1 1/10 262 263 234 279 5,7021 5,7119 0 72 60 52 68
6 1/12 260 292 298 301
5,6797 5,6928 0 108 107 105 100
7 5,7866 5,7961 0 96 81 94 92
3.2.29. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H2.
Tabla 30. Conteo celular y biomasa del ensayo H2
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
4 1/10 262 263 234 279 5,9502 5,9599 0 43 42 37 39
8 1/12 260 292 298 301
5,6671 5,677 0 52 41 41 41
9 5,7725 5,7824 0 60 61 62 56
3.2.30. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H3.
Tabla 31. Conteo celular y biomasa del ensayo H3
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
8 1/10 262 263 234 279 5,6651 5,675 0 34 33 37 35
10 1/12 260 292 298 301
5,718 5,7269 0 59 68 57 69
11 5,7866 5,7953 0 67 72 75 64
43
3.2.31. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H4.
Tabla 32. Conteo celular y biomasa del ensayo H4
ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR
No.
Tubo
Densidad Celular
(células)
Masa
Tubo
Vacío
(g)
Masa de
Tubo +
Biomasa
(g)
Densidad Celular
(células)
Disolución A B C D Disolución A B C D
11 1/10 262 263 234 279 5,783 5,7928 0 33 36 38 37
12 1/12 260 292 298 301
5,788 5,7958 0 51 56 45 65
13 5,8129 5,8245 0 59 68 64 67
3.3. Datos Técnicos de Consumo de Energía de la Centrifugadora
Los datos se obtienen del manual de operación de la Centrifugadora usada.
3.3.1. Datos de potencia y potencial Eléctrico de la Centrifugadora
Tabla 33. Datos de la centrifugadora
Modelo de
Centrifugadora
Capacidad de
Tubos a
Centrifugar
Volumen Total de
Centrifugación
Potencial
Eléctrico
Potencia
Eléctrica de
Consumo
Máxima
Energía
Cinética
Thermo
Scientific
Sorvall ST 16
6 ( 90 - 300 ) mL 120 V 850 W 51.7 kJ
3.4. Datos del cargo tarifario según CONELEC
Tabla 34. Datos del cargo tarifario
Fuente: CONELEC (Consejo Nacional de Electricidad). Pliegos y cargos tarifarios. [en línea].
Ecuador: Agencia de Regulación y control de electricidad. 2014. [Fecha de consulta: 9 Agosto
2014]. Disponible en:< http://www.conelec.gob.ec/documentos.php?cd=3073&l=1>
44
3.5. Datos del poder calórico de algunas sustancias:
Tabla 35. Poder calórico de algunas sustancias
PRODUCTO MJ / kg
Aceite de Algodón 37,2
Aceite de Lino 37,2
Aceite Mineral 42
Aceite de oliva 42
Aceite de Microalgas 35,8
Aceite de Palma 39,32
Aceite de Piñón 39,75
Fuente: MUÑOZ, Raúl. Biocombustibles de Microalgas [en línea]. España: Dpto. Ingeniería
Química y Tecnología del Medio Ambiente, Universidad de Valladolid. [Fecha de consulta: 09
Agosto 2014]. Disponible en:
http://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&
ved=0CC4QFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.iingen.unam.mx%2Fes-
mx%2FBancoDeInformacion%2FMemoriasdeEventos%2FBiotecnologiaAlgal%2FIntroduccion
BiocombustiblesMicroalgas.pdf&ei=70SSVPOML4qqgwSAjoH4CA&usg=AFQjCNE6OUEd4
bxPOmrFVJpQaQzihH9ZUQ&sig2=atGQhktnA9X5_7hr-Gmf0g&bvm=bv.82001339,d.eXY
3.6. Datos de masa y volumen del cultivo de microalgas.
Tabla 36. Masa y volumen del cultivo de microalgas
N. Tubo V (mL) Masa Tubo
(g)
Masa Tubo +
Cultivo (g)
10 13 7,1216 19,771
11 13 7,1966 20,0651
12 13 7,1088 19,8902
13 13 7,2157 19,8874
14 13 7,2098 19,9878
15 13 7,0915 19,877
45
4. CÁLCULOS
4.1. Cálculo para la densidad celular
4.1.1. Cálculo del promedio de células de microalgas contadas.
(5)
En donde:
PEn = es el promedio de células contadas para cada ensayo (cel)
A = número de células contadas en el cuadrante A de la cámara de Neubauer
B = número de células contadas en el cuadrante B de la cámara de Neubauer
C = número de células contadas en el cuadrante C de la cámara de Neubauer
D = número de células contadas en el cuadrante D de la cámara de Neubauer
Cálculo Modelo para la muestra del Ensayo A1:
4.1.2. Cálculo de la Densidad Celular.
(6)
En donde:
D = Densidad celular (cel/mL)
PEn = Promedio de células contadas para cada ensayo
Fd = Factor de disolución en fracción (de acuerdo con procedimiento 2.4.1 a)
46
Cálculo Modelo para la muestra del Ensayo A1:
⁄
4.2. Cálculo de la cantidad de biomasa separada por centrifugación.
4.2.1. Cálculo de la biomasa separada en cada ensayo de centrifugación
(7)
En donde:
mb = Masa de la biomasa separada en (g)
m2 = Masa de los tubos de centrifugación con la biomasa seca
m1 = Masa de los tubos de centrifugación vacíos
Cálculo Modelo para la muestra del tubo No. 12 del Ensayo A1:
4.2.2 Cálculo del promedio de biomasa separada.
∑
(8)
Cálculo Modelo para el ensayo A1:
4.3 Cálculo del rendimiento de centrifugación en tanto por ciento
( ) ( )
( ) (9)
47
En donde:
%R = Rendimiento de separación de biomasa por centrifugación
Dac = Densidad celular antes de centrifugar
Ddc = Densidad celular después de centrifugar
Cálculo Modelo para la muestra del tubo No. 12 del ensayo A1:
( ) ( )
( )
4.4. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica
Todos los cálculos mostrados a continuación son en referencia a un tiempo de 2 minutos de uso
de la centrifugadora.
4.4.1. Cálculo del Consumo de Energía en kWh del Uso de la Centrifugadora.
(10)
En donde:
E = Energía Consumida ( kWh)
Pe = Potencia Eléctrica de la Centrifugadora (W) (dato obtenido de la Tabla 33).
t = tiempo de uso de la centrifugadora (min)
Cálculo Modelo para un tiempo de 2 min de uso:
48
4.4.2. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica.
(11)
En donde:
C = Costo del consumo de energía (USD)
E = Energía Eléctrica consumida (kWh)
c = Cargo tarifario establecido por CONELEC (USD/kWh)
Cálculo Modelo para un tiempo de 2 min de uso:
4.5. Cálculo del factor para determinar biomasa en función del volumen de muestra de
cultivo de microalgas.
0,0130 g de biomasa se logran separar en promedio de 10 mL de cultivo que se centrifuga como
se observa en las tablas de los datos obtenidos, por lo tanto:
( )
( )
(12)
Cálculo Modelo de biomasa a obtener para 300 mL de cultivo que es la capacidad máximas del
volumen de la centrifugadora usada en el laboratorio mediante el factor de conversión:
(13)
4.6 Cálculo de la cantidad de aceite contenido en la biomasa separada.
De acuerdo con la cantidad de aceite que se obtiene de la microalga según el cuadro 2 se tiene:
(14)
49
Cálculo Modelo para 0,39 g de biomasa seca:
4.7 Cálculo de la cantidad de energía producida por cada gramo de aceite obtenido.
4.7.1. Cálculo de la energía del aceite producido
(15)
En donde:
E = Energía producida (J)
= Kilogramos de aceite obtenidos ( kg )
= Poder Calórico del aceite de Microalgas = 35,8 (MJ/kg) dato obtenido de la tabla 35.
Cálculo modelo para 0.1248 g de aceite obtenido de los cálculos anteriores:
4.7.2. Cálculo de la energía en kWh del aceite producido.
( ) ( )
( )
( )
(
) (16)
Cálculo modelo para 2 min de centrifugación:
( )
50
4.8. Cálculo del factor de conversión de muestra de cultivo a energía producida en kWh.
( ) ( )
( ) ( ) (
) (17)
4.9. Cálculos para optimizar el proceso de centrifugación
4.9.1. Determinación del volumen mínimo a centrifugar.- Con el resultado del cálculo 4.4.1,
se obtiene que el uso de la centrifugadora por 2 min consume por lo tanto si se
reemplaza esta cantidad de energía en la Ec. 17 para determinar la cantidad de volumen
necesario para igualar la energía consumida con la energía producida y tener un costo $0 de
separación se tiene:
( ) ( )
(
)
(
) (18)
4.9.2. Cálculo de la densidad del cultivo de microalgas
(19)
En donde:
= masa promedio del cultivo de microalgas ( g )
= Volumen promedio del cultivo de microalgas ( mL )
= Densidad del cultivo de microalgas ( g/mL)
51
Cálculo realizado con la información de la tabla 36.
4.9.3. Cálculo de la masa del cultivo para el volumen óptimo de centrifugación. De la Ec. 19
se despeja la masa:
4.9.4. Determinación de la factibilidad de centrifugar el volumen mínimo. De acuerdo con
las especificaciones de la centrifugadora, se puede alcanzar una energía cinética de 51700 J, si
se calcula la energía cinética necesaria para centrifugar el volumen óptimo se tiene:
Energía Cinética:
(20)
En donde:
Ec = Energía Cinética (J)
m = masa del cultivo de microalgas (kg)
V = Velocidad lineal (m/s)
Velocidad Lineal a partir de la velocidad Angular:
(21)
En donde:
V = Velocidad Lineal (m/s)
W = velocidad angular (rad/s)
r = radio de giro del rotor de la centrifugadora ( m )
52
Velocidad Angular en (rad/s)
(22)
En donde:
W = Velocidad angular (rad/s)
ω = Velocidad angular (RPM)
Los resultados obtenidos muestran que para separar la biomasa del cultivo de microalgas es
suficiente una ω = 3500 RPM por 2 min, el rotor de la centrífuga tiene 6,1 cm de radio de giro.
Por lo tanto la Energía Cinética necesaria para centrifugar el volumen óptimo será:
Cálculo de la velocidad angular en (rad/s)
Cálculo de la velocidad lineal en (m/s)
(
) ( )
Cálculo de la energía cinética necesaria:
( )( )
La energía obtenida es menor a la máxima energía de la centrifugadora, por lo que si es factible
centrifugar el volumen mínimo de cultivo de microalgas en una centrifugadora con las mismas
especificaciones técnicas usada en la experimentación.
Logrando así un costo de separación de $0. Representa un 3% de la máxima capacidad de la
centrifugadora.
53
5. RESULTADOS
5.1. Resultados de la densidad celular, biomasa separada y rendimiento de centrifugación.
5.1.1. Resultados para el ensayo A1.
Tabla 37. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular
Remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
12
46075000
33725000 0,0065 26,8041
6 31020000 0,0101 32,6750
7 32940000 0,0082 28,5079
PROMEDIO 32561667 0,0083 29,3290
5.1.2. Resultados para el ensayo A2.
Tabla 38. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
6
46075000
22935000 0,0123 50,2225
8 22260000 0,0093 51,6875
9 23940000 0,0059 48,0412
PROMEDIO 23045000 0,0092 49,9837
54
5.1.3. Resultados para el ensayo A3.
Tabla 39. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
12
46075000
16725000 0,0069 63,7005
6 17130000 0,0162 62,8215
7 17100000 0,0073 62,8866
PROMEDIO 16985000 0,0101 63,1362
5.1.4. Resultados para el ensayo B1.
Tabla 40. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1
46075000
15325000 0,0096 66,7390
12 14550000 0,0126 68,4211
13 15330000 0,0147 66,7282
PROMEDIO 15068333 0,0123 67,2961
5.1.5. Resultados para el ensayo B2.
Tabla 41. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
3
46075000
8200000 0,0120 82,2029
14 7500000 0,0097 83,7222
15 8125000 0,0152 82,3657
PROMEDIO 7941667 0,0123 82,7636
55
5.1.6. Resultados para el ensayo B3
Tabla 42. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
6
46075000
4575000 0,0123 90,0705
16 3762500 0,0185 91,8340
17 4162500 0,0139 90,9658
PROMEDIO 4166667 0,0149 90,9568
5.1.7. Resultados para el ensayo B4.
Tabla 43. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
8
46075000
2987500 0,0121 93,5160
18 2767500 0,0148 93,9935
19 2467500 0,0147 94,6446
PROMEDIO 2740833 0,0139 94,0514
5.1.8. Resultados para el ensayo C1.
Tabla 44. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
18 46075000 4787500 0,0154 89,6093
1 45690000
4835000 0,0115 89,4178
2 4975000 0,0112 89,1114
PROMEDIO 4865833 0,0127 89,3795
56
5.1.9. Resultados para el ensayo C2.
Tabla 45. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
10 46075000 3050000 0,0123 93,3804
3 45690000
3240000 0,0154 92,9087
4 3380000 0,0126 92,6023
PROMEDIO 3223333 0,0134 92,9638
5.1.10. Resultados para el ensayo C3.
Tabla 46. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1 46075000 1885000 0,0097 95,9088
6 45690000
2340000 0,0123 94,8785
7 2302500 0,0091 94,9606
PROMEDIO 2175833 0,0104 95,2493
5.1.11. Resultados para el ensayo C4.
Tabla 47. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
3 46075000 1087500 0,0113 97,6397
8 45690000
1530000 0,0115 96,6513
9 1485000 0,0122 96,7498
PROMEDIO 1367500 0,0117 97,0136
57
5.1.12. Resultados para el ensayo D1.
Tabla 48. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
2 37725000 1425000 0,0095 96,2227
10 45690000
2425000 0,0101 94,6925
11 2265000 0,0110 95,0427
PROMEDIO 2038333 0,0102 95,3193
5.1.13. Resultados para el ensayo D2.
Tabla 49. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1 37725000 1435000 0,0162 96,1962
12 45690000
1865000 0,0113 95,9181
13 1770000 0,0118 96,1261
PROMEDIO 1690000 0,0131 96,0801
5.1.14. Resultados para el ensayo D3.
Tabla 50. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
7 37725000 595000 0,0194 98,4228
14 45690000
1220000 0,0126 97,3298
15 762500 0,0132 98,3311
PROMEDIO 859167 0,0151 98,0279
58
5.1.15. Resultados para el ensayo D4.
Tabla 51. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
6 37725000 1550000 0,0157 95,8913
16 45690000
2210000 0,0155 95,1631
17 2335000 0,0139 94,8895
PROMEDIO 2031667 0,0150 95,3146
5.1.16. Resultados para el ensayo E1.
Tabla 52. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
2 46176000 1740000 0,0142 96,2318
18 45690000
1255000 0,0125 97,2532
19 1242500 0,0130 97,2806
PROMEDIO 1412500 0,0132 96,9219
5.1.17. Resultados para el ensayo E2.
Tabla 53. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
6 46176000 935000 0,0090 97,9751
1 48480000
1322500 0,0162 97,2721
2 1397500 0,0147 97,1174
PROMEDIO 1218333 0,0133 97,4549
59
5.1.18. Resultados para el ensayo E3.
Tabla 54. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1 46176000 897500 0,0092 98,0563
3 48480000
1317500 0,0092 97,2824
4 1400000 0,0179 97,1122
PROMEDIO 1205000 0,0121 97,4836
5.1.19. Resultados para el ensayo E4.
Tabla 55. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
12 46176000 697500 0,0092 98,4895
6 48480000
1047500 0,0131 97,8393
7 1020000 0,0163 97,8960
PROMEDIO 921667 0,0129 98,0749
5.1.20. Resultados para el ensayo F1.
Tabla 56. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1 46176000 1807500 0,0102 96,0856
8 48480000
1417500 0,0122 97,0761
9 1307500 0,0152 97,3030
PROMEDIO 1510833 0,0125 96,8216
60
5.1.21. Resultados para el ensayo F2.
Tabla 57. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
4 46176000 1440000 0,0107 96,8815
10 48480000
1062500 0,0173 97,8084
11 1217500 0,0154 97,4887
PROMEDIO 1240000 0,0145 97,3928
5.1.22. Resultados para el ensayo F3.
Tabla 58. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
8 46176000 1072500 0,0126 97,6774
12 48480000
970000 0,0156 97,9992
13 1045000 0,0120 97,8445
PROMEDIO 1029167 0,0134 97,8403
5.1.23. Resultados para el ensayo F4.
Tabla 59. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
11 46176000 690000 0,0113 98,5057
14 48480000
750000 0,0164 98,4530
15 737500 0,0160 98,4788
PROMEDIO 725833 0,0146 98,4791
61
5.1.24. Resultados para el ensayo G1.
Tabla 60. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1 46000000 940000 0,0099 97,9565
16 48480000
1050000 0,0170 97,8342
17 907500 0,0121 98,1281
PROMEDIO 965833 0,0130 97,9729
5.1.25. Resultados para el ensayo G2.
Tabla 61. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
4 46000000 560000 0,0105 98,7826
18 48480000
437500 0,0137 99,0976
19 597500 0,0154 98,7675
PROMEDIO 531667 0,0132 98,8826
5.1.26. Resultados para el ensayo G3.
Tabla 62. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
8 46000000 445000 0,0104 99,0326
1 34530000
632500 0,0114 98,1683
2 690000 0,0104 98,0017
PROMEDIO 589167 0,0107 98,4009
62
5.1.27. Resultados para el ensayo G4.
Tabla 63. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
13 46000000 487500 0,0103 98,9402
3 34530000
542500 0,0102 98,4289
4 645000 0,0123 98,1321
PROMEDIO 558333 0,0109 98,5004
5.1.28. Resultados para el ensayo H1.
Tabla 64. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H1
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
1 25950000 630000 0,0098 97,5723
6 34530000
1050000 0,0131 96,9592
7 907500 0,0095 97,3719
PROMEDIO 862500 0,0108 97,3011
5.1.29. Resultados para el ensayo H2.
Tabla 65. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H2
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
4 25950000 402500 0,0097 98,4489
8 34530000
437500 0,0099 98,7330
9 597500 0,0099 98,2696
PROMEDIO 479167 0,0098 98,4838
63
5.1.30. Resultados para el ensayo H3.
Tabla 66. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H3
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
8 25950000 347500 0,0099 98,6609
10 34530000
632500 0,0089 98,1683
11 695000 0,0087 97,9873
PROMEDIO 558333 0,0092 98,2721
5.1.31. Resultados para el ensayo H4.
Tabla 67. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H4
No.
Tubo
Densidad Celular de
la muestra
Densidad Celular del
remanente líquido
Biomasa
separada
Rendimiento de
Centrifugación
(cel / mL) (cel / mL) (g) %
11 25950000 360000 0,0098 98,6127
12 34530000
542500 0,0078 98,4289
13 645000 0,0116 98,1321
PROMEDIO 515833 0,0097 98,3912
5.2. Resultados del promedio de biomasa separada.
Tabla 68. Promedio de biomasa separada para cada ensayo
BIOMASA SEPARADA
(g)
1 2 3 4
W (RPM) 2 min 4 min 6 min 8 min
A 500 0,0000 0,0083 0,0092 0,0101
B 1000 0,0123 0,0123 0,0149 0,0139
C 1800 0,0127 0,0134 0,0104 0,0117
D 2500 0,0102 0,0131 0,0151 0,0150
E 3500 0,0132 0,0133 0,0121 0,0129
F 4500 0,0125 0,0145 0,0134 0,0146
G 5500 0,0130 0,0132 0,0107 0,0109
H 6500 0,0108 0,0098 0,0092 0,0097
PROMEDIO 0,0106 0,0122 0,0119 0,0123
64
Gráfico 1. Biomasa separada Vs. Velocidad angular
5.3. Resultados del promedio de rendimiento de separación por centrifugación
Tabla 69. Promedio del porcentaje de separación por centrifugación
RENDIMIENTO DE CENTRIFUGACIÓN (%)
ENSAYO A B C D E F G H
t(min) 500
RPM
1000
RPM
1800
RPM
2500
RPM
3500
RPM
4500
RPM
5500
RPM
6500
RPM
2 min. 67,30 89,38 95,32 96,92 96,82 97,97 97,30
4 min. 29,33 82,76 92,96 96,08 97,45 97,39 98,88 98,48
6 min. 49,98 90,96 95,25 98,03 97,48 97,84 98,40 98,27
8 min. 63,14 94,05 97,01 95,31 98,07 98,48 98,50 98,39
PROMEDIO 47,48 83,77 93,65 96,19 97,48 97,63 98,44 98,11
0,0080
0,0090
0,0100
0,0110
0,0120
0,0130
0,0140
0,0150
0,0160
500 1000 1800 2500 3500 4500 5500 6500
BIO
MA
SA (
g )
Velocidad Angular (RPM)
Biomasa Vs. Velocidad Angular
2 min
4 min
6 min
8 min
65
5.3.1. Diagramas de los resultados de centrifugación.
Gráfico 2. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
500RPM
1000RPM
1800RPM
2500RPM
3500RPM
4500RPM
5500RPM
6500RPM
% R
end
imie
nto
Velocidad Angular ( RPM )
Rendimiento de Centrifugación a t=cte
2 min.
4 min.
6 min.
8 min.
66
Gráfico 3. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular
Gráfico 4. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular (t = 2 min.)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 min. 4 min. 6 min. 8 min.
% R
end
imie
nto
Tiempo de Centrifugación
Rendimiento de Centrifugación a W=cte
500 RPM
1000 RPM
1800 RPM
2500 RPM
3500 RPM
4500 RPM
5500 RPM
6500 RPM
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
500 RPM 1000RPM
1800RPM
2500RPM
3500RPM
4500RPM
5500RPM
6500RPM
% R
end
imie
nto
Rendimiento de Centrifugación t = 2 min.
67
Gráfico 5. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular (t = 4 min.)
Gráfico 6. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular (t = 6 min.)
Gráfico 7. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular (t = 8 min.)
20
30
40
50
60
70
80
90
100
500 RPM 1000 RPM 1800 RPM 2500 RPM 3500 RPM 4500 RPM 5500 RPM 6500 RPM
% R
en
dim
ien
to
Rendimiento de Centrifugación t = 4 min.
40
50
60
70
80
90
100
500 RPM 1000 RPM 1800 RPM 2500 RPM 3500 RPM 4500 RPM 5500 RPM 6500 RPM
% R
en
dim
ien
to
Rendimiento de Centrifugación t = 6 min.
60
70
80
90
100
500 RPM 1000 RPM 1800 RPM 2500 RPM 3500 RPM 4500 RPM 5500 RPM 6500 RPM
% E
fici
en
cia
Rendimiento de Centrifugación t = 8 min.
68
5.3.2. Análisis de separación de biomasa por centrifugación
Tabla 70. Rendimiento de separación promedio por centrifugación
V (RPM)
%
Separación
Promedio
500 47,48
1000 83,77
1800 93,65
2500 96,19
3500 97,48
4500 97,63
5500 98,44
6500 98,11
Gráfico 8. % Rendimiento de centrifugación promedio Vs. Velocidad angular
Se observa que esta curva presenta dos comportamientos para lo que se procede al cálculo de
una función a trozos, para dominios entre (500-2500) RPM llamada tramo 1 (T1) y entre (2500-
6500) RPM llamada tramo 2 (T2).
0
20
40
60
80
100
120
500 1000 1800 2500 3500 4500 5500 6500Re
nd
imie
nto
de
Ce
ntr
ifu
gaci
ón
Pro
me
dio
Velocidad Angular (RPM)
% Separación Promedio
T1 T2
69
Tabla 71. Cálculo de la función teórica para T1 de la separación por centrifugación.
a) FUNCIÓN TEÓRICA PARA EL TRAMO 1:
( ) (23)
b) COEFICIENTE DE CORRELACIÓN: R2 = 0.963
Gráfico 9. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico T1 Vs. Velocidad angular
0
20
40
60
80
100
120
500 1000 1800 2500
Títu
lo d
el e
je
% Separación Promedio y % Separación Teórico para T1
% SeparaciónPromedio
% SeparaciónTeórico
V (RPM)
%
Separación
Promedio
%
Separación
Teórico
Yexp - Y teo Yexp - Yprom (Yexp - Y teo)^2 (Yexp - Yprom)^2
500 47,48 51,08 -3,597 -32,7925 12,94238608 1075,348056
1000 83,77 77,95 5,816 3,4975 33,82649776 12,23250625
1800 93,65 90,66 2,986 13,3775 8,919703497 178,9575063
2500 96,19 96,75 -0,555 15,9175 0,308457336 253,3668063
PROMEDIO 80,2725
SUMA TOTAL 55,99704467 1519,904875
R^2 0,963157533
70
Tabla 72. Cálculo de la función teórica para T2 de la separación por centrifugación.
V (RPM)
%
Separación
Promedio
%
Separación
Teórico
Yexp - Y teo Yexp - Yprom (Yexp - Y teo)^2 (Yexp - Yprom)^2
500 47,48
1000 83,77
1800 93,65
2500 96,19 96,824046 -0,63404601 7,09625 0,402014344 50,35676406
3500 97,48 97,1605182 0,319481753 8,38625 0,10206859 70,32918906
4500 97,63 97,4118327 0,218167324 8,53625 0,047596981 72,86756406
5500 98,44 97,6125034 0,827496629 9,34625 0,684750671 87,35238906
6500 98,11 97,7795575 0,330442544 9,01625 0,109192275 81,29276406
PROMEDIO 89,09375 SUMA TOTAL 1,345622861 362,1986703
R^2 0,996284849
c) FUNCIÓN TEÓRICA PARA EL TRAMO 2:
(24)
d) COEFICIENTE DE CORRELACIÓN: R2 = 0.996
Gráfico 10. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico T2 Vs. Velocidad
angular
0
20
40
60
80
100
120
500 1000 1800 2500 3500 4500 5500 6500
% Separación Promedio y % Separación Teórico para T2
% Separación Promedio % Separación Teórico
71
Gráfico 11. % Rendimiento de centrifugación teórico Vs. Velocidad angular
40
50
60
70
80
90
100
110%
Ren
dim
ien
to
Velocidad de Centrifugación (RPM)
Comportamiento Teórico de Separación de Biomasa por Centrifugación
Tramo 1
Tramo 2
72
5.4 Resultados de la energía producida de la biomasa y energía cinética necesaria para la centrifugación.
Tabla 73. Tabla de resultados de energía producida y energía necesaria para la centrifugación de biomasa.
VELOCIDAD DE CENTRIFUGACIÓN = 3500 RPM Radio de Giro
Máximo (m) 0,45
VOLUMEN
Cultivo
mL
VOLUMEN
Cultivo
(L)
MASA DEL
CULTIVO
(kg)
BIOMASA
SECA
(g)
Aceite
(kg)
Energía Producida
del Aceite de
Microalgas (J)
Energía
Producida
(KWh)
Energía Cinética
Necesaria
en función del Radio
de Giro (J)
Energía Cinética Necesaria
en función del Radio de Giro
(KWh)
10 0 0,01 0 0,000 148,93 0,000 133,522 0,000
300 0 0,29 0 0,000 4467,84 0,001 4005,651 0,001
1000 1 0,98 1 0,000 14892,80 0,004 13352,170 0,004
3000 3 2,94 4 0,001 44678,40 0,012 40056,509 0,011
6000 6 5,89 8 0,002 89356,80 0,025 80113,018 0,022
6581 7 6,46 9 0,003 98009,52 0,027 87870,628 0,024
10000 10 9,81 13 0,004 148928,00 0,041 133521,696 0,037
20000 20 19,62 26 0,008 297856,00 0,083 267043,392 0,074
60000 60 58,87 78 0,025 893568,00 0,248 801130,176 0,223
80000 80 78,50 104 0,033 1191424,00 0,331 1068173,568 0,297
100000 100 98,12 130 0,042 1489280,00 0,414 1335216,960 0,371
200000 200 196,24 260 0,083 2978560,00 0,828 2670433,920 0,742
500000 500 490,60 650 0,208 7446400,00 2,070 6676084,800 1,856
800000 800 784,96 1040 0,333 11914240,00 3,312 10681735,680 2,970
900000 900 883,08 1170 0,374 13403520,00 3,726 12016952,640 3,341
1000000 1000 981,20 1300 0,416 14892800,00 4,140 13352169,600 3,712
2000000 2000 1962,40 2600 0,832 29785600,00 8,280 26704339,200 7,424
2500000 2500 2453,00 3250 1,040 37232000,00 10,350 33380424,000 9,280
Se considera una potencia eléctrica de centrifugadora de 900W.
73
Gráfico 12. Energía (J) Vs Volumen de cultivo (L)
y = 14893x R² = 1
y = 13352x + 1E-08 R² = 1
0
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
30000000
35000000
40000000
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Ene
rgía
(J)
Volumen de Cultivo (L)
Energía Vs Volumen de Cultivo
Energía Producidadel Aceite de Microalgas(J)
Energía Cinética Necesariaen función del Radio de Giro(J)
Lineal (Energía Producidadel Aceite de Microalgas(J))
Lineal (Energía Cinética Necesariaen función del Radio de Giro(J) )
74
Gráfico 13. Biomasa seca (g) Vs Volumen de cultivo (L)
Gráfico 14. Aceite de microalgas (kg) Vs. Biomasa seca (g)
Función de Energía Cinética necesaria: y = 13352x + 1E-08
Función de Energía Producida de la Biomasa: y = 14893x
y = 1,3x + 3E-13 R² = 1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 500 1000 1500 2000 2500
Bio
mas
a Se
ca (
g)
Volumen (L)
Biomasa Seca Vs. Volumen de Cultivo
Biomasa Seca
Lineal (Biomasa Seca)
y = 0,0003x R² = 1
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Ace
ite
de
Mic
roa
lgas
Ch
ole
rella
sp
. (K
g)
Biomasa Seca (g)
Aceite de Microalgas Vs. Biomasa Seca
Aceite(kg)
Lineal (Aceite(kg))
75
6. DISCUSIÓN
En la realización del trabajo para la optimización de la separación de biomasa proveniente
de microalgas por centrifugación, fue necesario alcanzar la fase estacionaria de
crecimiento, esta fase duró dos meses, en este lapso de tiempo las microalgas alcanzaron su
mayor densidad celular, fue indispensable llegar a esta fase, para que el uso de energía
eléctrica en el proceso de cosechado no fuera utilizada ineficientemente en relación con la
energía que proviene de la biomasa que se separa.
La teoría del cultivo de microalgas indica que estos microorganismos requieren completa
asepsia durante su crecimiento ya que son muy susceptibles a contaminarse con
microorganismos parásitos provenientes incluso del aire, en la experimentación un cultivo
de 3 L se contaminó, deteniendo el crecimiento de las microalgas hasta que murieron, este
evento no se lo considera como una variable que influya en la optimización del proceso de
centrifugación ya que la investigación inicia con cultivos de microalgas en fase estacionaria
de crecimiento independientemente de su obtención.
Se estableció la mínima velocidad angular para separar biomasa del cultivo de manera
visual, mediante procesos de centrifugación con velocidades angulares desde 300 RPM,
logrando identificar que la mínima velocidad de centrifugación es 500 RPM en un tiempo
de 2 min como se observa en los anexos E, F, G.
Considerando el número de ensayos que debían efectuarse para el análisis de
centrifugación, se estableció que el volumen de cultivo a centrifugar en la experimentación
sea de 10 mL, ya que el de cultivo de microalgas con alta densidad celular necesita mucho
tiempo y cuidado para obtenerse, y solamente se disponía de aproximadamente 3 L de
cultivo ya que otra muestra de 3 L se contaminó.
En el análisis de centrifugación se logró observar que desde 3500 RPM como velocidad de
centrifugación, indistintamente del tiempo, el rendimiento de separar la biomasa fue
semejante para velocidades mayores, obteniéndose valores entre un 97% y 98% en
promedio del rendimiento de separación de biomasa.
76
La cantidad de biomasa que se logró separar indica una dependencia directamente
proporcional a la densidad celular en el cultivo de microalgas; es decir, a mayor densidad
celular, mayor biomasa.
La menor cantidad de biomasa obtenida fue 0,0069 g en promedio para una centrifugación
con velocidad de 500 RPM, y la mayor cantidad de biomasa obtenida fue 0,0130 g en
promedio en velocidades desde los 2500 RPM y mantiene una tendencia constante en
rendimiento de separación para mayores velocidades.
Los resultados de biomasa separada en el ensayo de centrifugación con velocidad de 6500
RPM son de 0,009 g (una cantidad de biomasa menor al promedio de los anteriores
ensayos) presentando una alto rendimiento de separación ya que en este último ensayo no
se disponía de un cultivo con alta densidad celular ya que fue necesario realizar una
dilución 50/50 del cultivo que sobraba.
Para interpretar el comportamiento de separación de la biomasa de microalgas por
centrifugación se realizó una regresión de la curva promedio del rendimiento de separación
en función de la velocidad de centrifugación en promedio obtenida experimentalmente,
separándola en dos tramos ya que presenta dos comportamientos distintos para una
velocidad de centrifugación entre (500-2500) RPM y (2500-6500) RPM obteniéndose un
coeficiente de correlación alto.
Para el análisis de la energía que puede obtenerse a partir de la biomasa separada se
establece que los parámetros de centrifugación que logran un buen rendimiento de
separación son una velocidad de 3500 RPM durante dos minutos, ya que para valores
mayores de velocidad y tiempo no se consigue mejorar el rendimiento porque la tendencia
del rendimiento de separación se vuelve constante.
La energía eléctrica consumida por la centrifugadora durante los 2 min de uso, según el
dato de potencia eléctrica de consumo, da como resultado un valor de 0,0283 kWh,
mostrando diferencia con la energía producida por la biomasa que es de 0,00124 kWh con
respecto a la cantidad de biomasa obtenida, esto quiere decir que la energía consumida para
separar la biomasa, representa un 210% de la energía que se produce, lo que indica que este
proceso debe ser optimizado para reducir costos de separación de biomasa.
Para optimizar el proceso de centrifugación para separar biomasa proveniente de
microalgas, se procedió a calcular la energía producida por la biomasa en relación con la
77
energía cinética necesaria para centrifugar la misma cantidad de biomasa, logrando reducir
la energía consumida para un tiempo de uso de 2 min, una velocidad angular de 3500 RPM
y un radio de giro máximo de 0,45 m lográndose en relación a la cantidad de energía que
se produce de la biomasa separada.
Es importante destacar, que de acuerdo con los resultados obtenidos en la investigación
demuestran que es factible separar la biomasa proveniente de microalgas mediante
centrifugación sin generar costos por consumo eléctrico, ya que los valores de tiempo,
rapidez y radio de giro de la centrifugación son posibles efectuar mediante el diseño de un
equipo de centrifugación con potencia eléctrica de máximo 900 W.
El volumen mínimo de cultivo a centrifugar para equilibrar la energía de consumo eléctrico
de la centrifugadora (cuya potencia es de 850 W ) con la energía producida por la biomasa
separada debe ser 6,840 L, el cual requiere 1677,95 J en energía cinética. Las
especificaciones técnicas de la centrifugadora indican que su capacidad máxima es de
51700 J en energía cinética; por lo tanto, la energía requerida representa un 3% de su
capacidad.
Los resultados obtenidos en la investigación demuestran que es factible lograr separar
biomasa por centrifugación sin generar costos, ya que se puede lograr una separación de
biomasa con un alto rendimiento a una velocidad de centrifugación de 3500 RPM durante 2
min, el volumen a centrifugar dependerá de la centrifugadora, su potencia eléctrica y radio
de giro del rotor.
78
7. CONCLUSIONES
Se puede separar biomasa de un cultivo de microalgas Chlorella con una velocidad angular
mínima de 500 RPM obteniendo un rendimiento de separación de 30% y alcanzando un
máximo rendimiento de 98% con velocidades angulares desde 3500 RPM en adelante.
Se observó que velocidades angulares de centrifugación de 500 RPM, 1000 RPM y 1800
RPM son ineficientes ya que se obtienen rendimiento de separación de biomasa entre 30% y
94%, además que requieren altos valores de tiempo para mejorar la separación.
Para velocidades angulares desde 2500 RPM hasta 6500 RPM se obtienen rendimientos de
separación de Biomasa por centrifugación entre 95% y 98%, observándose un
comportamiento constante, ya que a mayores velocidades angulares y tiempo, el porcentaje
de rendimiento de separación no cambia.
El proceso de centrifugación para separar biomasa presentó un comportamiento logarítmico
en función de la velocidad de centrifugación del cual se obtuvieron dos funciones
logarítmicas para los dos tramos de la curva obtenida.
Del análisis de centrifugación para separar biomasa de un cultivo de microalgas, se obtiene
que en promedio el porcentaje de rendimiento de separación es 96,5%.
De los resultados obtenidos en el rendimiento de separación por cada ensayo de
centrifugación se logra rendimientos de separación promedio a una velocidad angular de
3500 RPM durante 2 min, estableciendo esta velocidad y tiempo como los parámetros
máximos para separar biomasa por centrifugación.
La cantidad de biomasa separada es directamente proporcional a la densidad celular del
cultivo de microalgas.
Para optimizar el proceso de separación por centrifugación se debe disponer de cultivos de
microalgas en su fase estacionaria de crecimiento para asegurar la separación de la máxima
cantidad de biomasa.
79
Se logró minimizar la energía necesaria para centrifugar un cultivo de microalgas Chlorella
sp., estableciendo como parámetros óptimos:
o Velocidad angular máxima= 3500 RPM
o Tiempo de centrifugación máximo= 2 min.
o Radio de Giro Máximo = 45 cm
o Densidad Celular = Máxima (fase estacionaria de
crecimiento de la microalga)
En el caso de la centrifugadora usada en el Laboratorio del INER cuya potencia eléctrica es
de 850 W, los parámetros específicos son:
o Velocidad angular máxima= 3500 RPM
o Tiempo de centrifugación máximo= 2 min.
o Volumen de Cultivo mínimo= 6,840 L
o Densidad Celular = Máxima (fase estacionaria de
crecimiento de la microalga)
Con estos parámetros la separación de biomasa por centrifugación no generaría costo.
80
8. RECOMENDACIONES
Investigar los ensayos de centrifugación para otras especies de microalgas con mayor
contenido de aceite, por ejemplo, la Microalga Schizochytrium sp. puede generar entre el
50% y 77% de aceite en relación con la Chlorella que solo genera un máximo 32% como se
muestra en el cuadro 2.
Se pueden realizar pretratamientos que modifiquen el tamaño de las partículas y mejorar la
sedimentación del cultivo de microalgas que se va a centrifugar, mediante una floculación
y sedimentación, y solamente centrifugar el volumen de cultivo con mayor concentración
de células sedimentadas.
Realizar el diseño de una centrifugadora prototipo que pueda cumplir con las
especificaciones óptimas de centrifugación que se obtuvieron en este trabajo.
Analizar la pre factibilidad de realizar pretratamientos de separación de las microalgas, en
función de los costos que representa usar floculantes o coagulantes con relación al valor de
la energía producida.
Investigar el comportamiento de generar energía de biomasa de microalgas analizando el
consumo de energía en distintas centrifugadoras, tomando como variables su capacidad en
volumen de centrifugación y potencia eléctrica.
Estudiar el comportamiento energético en todos los procesos de las microalgas para obtener
biodiesel, y considerar cómo influye la susceptibilidad de contaminación de estos
microorganismos en la factibilidad de su procesamiento como un recurso bioenergético
rentable.
81
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PORTILLA, Alejandra y KOCH, Andrés. Evaluación del rendimiento de producción de
aceite en cuatro Microalgas nativas de las Provinciasecuatorianas de Orellana, Esmeraldas,
Imbabura y Pichincha en diferentes condiciones de iluminancia y de medio de cultivo a
nivel de laboratorio. Trabajo de Grado. Ingeniero Biotecnologo. Escuela Superior
Politécnica del Ejército. Facultad de Biotecnología. Quito. 2010. p. 4
[2] BARSANTI, Laura, GUALTIERI, Paolo. Algae, Anatomy, Biochemistry, and
Biotechnology. Printed by Taylor & Francis Group. United States of America New York.
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[3] INFANTE, Cherlys, /et. al/. Propagación, de la Microalga Chlorella Sp. en Cultivo por
Lote: Cinética Del Crecimiento Celular. [en línea]. Avances en Ciencias e Ingeniería
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[4] CHISTI, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances. Palmerston
North, Nueva Zelanda: ELSEVIER. p. 296
[5] BERMEO, Lorena. “Estudio del Cosechado de Cultivos de Microalgas en Agua Residual
mediante Técnicas de Centrifugado”. España 2011. pp. 7-8.
[6] XII JORNADAS AMBIENTALES. (1°, 2008, Salamanca – España) Energías y Cambio
Climático. Universidad de Salamanca, España, 2008. pp. 32-33
[7] Ibíd., p.34
[8] Ibíd., p. 45
82
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BARSANTI, Laura y GUALTIERI, Paolo. Algae, Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology.
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XII JORNADAS AMBIENTALES. (1°, 2008, Salamanca – España) Energías y Cambio
Climático. Universidad de Salamanca, España, 2008.
84
ANEXOS
85
Anexo A. Cultivo 1 microalgas Chlorella Sp.
86
Anexo B. Cultivo 2 microalgas Chlorella Sp.
87
Anexo C. Cultivo escalado del cultivo 2
Anexo D. Muestras de cultivo de microalgas para centrifugar
88
Anexo E. Muestra centrifugada a 300 RPM
89
Anexo F. Muestra centrifugada a 400 RPM
90
Anexo G. Muestra centrifugada a 500 RPM
91
Anexo H. Muestra centrifugada a 3500 RPM.
Anexo J. Residuo líquido después de centrifugar
92
Anexo K. Biomasa separada y seca en los tubos de centrifugación
93
Anexo L. Biomasa seca recolectada en el análisis de centrifugación.
Anexo M. Balanza analítica laboratorio INER
94
Anexo N. Potenciómetro laboratorio INER
Anexo P. Microscopio laboratorio INER
95
Anexo Q. Datos de potencia del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio INER
96
Anexo R. Datos del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio INER