Biofuels
Marcela – Silvia - Carlos Biotecnología industrial – Medellín 2013
La investigación en biocombustibles es un área de gran interés por el incremento en la demanda mundial de energía por las economías emergentes y el creciente precio del petróleo (Mostafa 2010)..
Picking Up Sugar Cane - Miguel Alfaro
El uso de microorganismos se viene investigando con múltiples enfoques para la producción de varios biocombustibles (etanol, hidrógeno, biodisel, biogás) empleando diversos materiales de partida (Mostafa 2010).
La producción de etanol de materiales vegetales inicio en Alemania en 1898 y continuó en EE.UU durante la primera guerra mundial
Durante la mitad del siglo XX se demostró la capacidad de aterías para degradar celulosa y otros polímeros de plantas
La investigación era académica debido un abundante, seguro y económico suministro de combustibles fósiles.
En 1973- 1974 se da un dramático incremento de los precios de los hidrocarburos
Economías emergentes como China e India incrementan su demanda
Los biocombustibles se empiezan a ver ambientalmente más amigables al producir unas menores emisiones de CO2 a la atmófera que los combustibles fósiles.
En EE.UU, países desarrollados y economías que dependen de la importación de petróleo se cuenta con suficiente material vegetal perenne por lo que ven la oportunidad de eliminar o reducir la dependencia de combustibles foráneos (Mostafa 2010).
Bio combustibles
Quema limpia
Más energéticos
Menos soluble en agua
Alcohole s
Fermentación directa
Degradación a Azúcares fermentables
Conversión en Alcohol
Composición heterogénea
Clostridium acetobutylicum
Propanol
Fase esporulación
Fermentación indirecta Material lignocelulósico
Composición homogénea
Lignina, celulosa, hemicelulosa
Melazas Azúcar de caña Granos de maíz
Requiere diferentes Microorgan ismos Enzimas Tiempo incubación Eficiente despolimerización
1° generación
isobutanol C3-C5
Material vegetal *Levadura *OMGs
Butanol
2° generación
Hace a todas las plantas competentes
Bloquea otras enzimas necesarias
Material vegetal Pirólisis Mezcla de gases (CO, H2, CO2) Bacterias acetogénicas
Ruta Wood– Ljungdahl
Conversión a etanol
Donador de (–e): H2
Aceptor de (–e): CO2
Micro alga Doblan biomasa en 24 h
Aceite 80% w/v
Fijan y reducen el CO2 Crece en pequeñas capas
Biodisel
Mezcla de metano y CO2 de descomposición metanogénica de desechos orgánicos en condiciones anaerobias
Limitaciones Es el biocombustible más limpio
Producidos de Esterificación de triglicéridos con metanol
Sencitividad de hidrogenasas al O2 Alternativas 2
1
Nitrogenadas en m.o fotoheterotroficos anoxigenicos (purpuras no del azufre
3° generación Deben desacoplarse Fotólisis. Limitaciones respecto gas natural Bajo precio del gas natural
Cyanobacteria
H2
Es oxidado a agua
Grandes áreas de cultivo
Biogas
Alagas verdes
No emisiones de CO2
Ésteres de alquilo
Incubación aerobia
Producción de hidrógeno Limitación de oxigeno oscuridad
Producción de H2 de electrones y protones en presencia de luz y ausencia de O2
3 Bacterias fermentativas H2 producto final de fermentación E. coli Enterobacter aerogenes Clostridium botyricum
Quema limpia
Altas reservas
Rhodopseudomonas palustris
Derivan producción de electrones del metabolismo del carbón a H2 si obtienen electrones vía fotosíntesis
1° Generación de bioconbustibles
Brasil es el único país que produce biocombustibles a una escala masiva, económica y competitiva. Debido a: 1) Inicio investigaciones en 1970s llevándolo a acumular gran experiencia industrial 2) la caña de azúcar presenta un alto contenido de sacaraosa. No requiere tratamiento enzimático ni microbiológico para extraerla. 3) disponibilidad de vastas y fértiles tierras, y clima lluvioso. 4) mano de obra barata y cercanía entre sitios de producción y procesado.
Se incrementan los precios de productos alimenticios. Se incrementaron los cultivos dedicados a energía y no a alimentación
los científicos se embarcan en la producción celulósica de etanol
Se incrementó el uso de fertilizantes en estos cultivos y con esto los problemas ambientales.
productos que no compiten con la grucultura contiene en general (35-50)% de celulosa, 20-35% de hemicelulosa, y 10-25% de lignina 2° Generación La lignina no se degrada en condiciones aerobias y debe ser removida en el pretratamiento para incrementar la exposición de la celulosa y hemicelulosa a la degradación enzimática y microbiológica Entre los pretratamientos se incluyen peroxidasas alcalinas, acidos concentrados o diluídos, álcali, peroxidas alcalinas, oxidación humedad, explosión de vapor, explosión de fibra por amoniaco, agua líquida caliente, solventes orgánicos.
La hemicelulosa es un heteropolímero de pentosas, hexosas y azúcares ácidos. Los xilanos son su forma más común, compuesto de un esqueleto que consiste en cadenas de aproximadamente 200 unidades de enlaces 1,4 β – D – xilopiranosa.
β 1,4 xilanasa β xilodasa Enzimas acesorias HONGOS
Penicillum capsulatum Talaromyces emersonii
• Ataca ataca la cadena principal de los xilanos
• Degrada los xilooligosacáridos producidos a xilosa • Se necesitan para degradar compuestos adicionales y sustituyentes del xilano.
Microorganismo que degradan completamente a hemicelulosa a xilano
ACTINOMICETES Thermomonospor fusca (Termófilo) Caldicellulosiruptor saccharolyticus (hiper termófilo)
La celulosa es un homopolímero linear compuesto de unidades de D-glucosa unidos por puentes 1,4 β glucosídicos con una longitus entre 4000-8000 monómeros.
Endo 1,4 β gluconasa
• Ataca aleatoriamente puentes internos β glucosídicos de la cadena
Exo 1,4 β gluconasa
• Remueve unidades de celobiosa de extremos no reductores de la cadena
β galactosidasa
• Convierte la celobiosa en glucosa.
Enzimas usadas industrialmente
Aspergillus
Trichoderma
La continua manipulación genética de microoganismos como Saccharomyces cerevisiae ha permitido generar cepas capaces de tomar varios azúcares (modificación de sus transportadores) dado que las plantas se componen de hemicelulosa precursor de la xilosa y de celulosa precursor de la glucosa.
Cepas como una de E. coli para producir alcohol a partir de hexosas, pentosas y materiales lignocelulósicos tratados enzimáticamente A esta se le insertaron genes de Zymomonas que codificaban para enzimas envueltas en la producción de alcohol.
Se buscan cepas cuyo principal producto de al fermentación sea alcohol a partir de glucosa como la E. coli TC4.
INTRODUCCIÓN No renovable
La creciente demanda de energía pone en peligro la disponibilidad de energía sostenible para las generaciones futuras.
Renovable
Solución
Desarrollo de nuevos medios de producción de biocombustibles como una energía renovable. la energía verde es cada vez más importante
INTRODUCCIÒN Primera • fueron extraídos principalmente de generación de los los alimentos (almidón y maíz) biocombustibles Segunda • uso de celulosa, como materia generación de los prima para extraer biocombustible, tales como tallos de la cosecha. biocombustibles Tercera • Los biocombustibles a partir de generación de los microalgas biocombustibles
INTRODUCCIÓN
• • • •
los biocombustibles a partir de microalgas se compone principalmente de cuatro zonas, que son: aislamiento y la caracterización de las especies de microalgas. cultivo masivo de microalgas Cosecha procesamiento.
INTRODUCCIÓN Por lo tanto, es muy importante estudiar cómo mantener microalgas en un estado de alta tasa de crecimiento y alto contenido de lípidos. El estudio de factores, tales como: •el aislamiento de especies de microalgas • el mecanismo metabólico •las condiciones de cultivo •el fotobiorreactor. puede mejorar el desarrollo de biocombustibles a partir de microalgas
El diseño de un fotobiorreactor óptimo, el desarrollo de catalizadores para la conversión de lípidos a biodiesel
MICROALGAS • Las microalgas son organismos fotosintéticos microscópicos. • Ellos prosperan en hábitats acuáticos diversos, que incluyen: – – – – –
agua dulce salobre (salada <3,5%) marinos (3,5% de sal) hipersalinos (Sal> 3,5%) amplia gama de temperatura y pH.
MICROALGAS Chlorophyta, Bacillariophyta, Xanthophyta. Estos se exceda rica en lípidos (20% ,50%). y proteína.
La biomasa de microalgas puede producir biocombustibles, incluyendo: •diesel verde •Gasolina verde • combustible para aviación • etanol •metano
AISLAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE ESPECIES DE MICROALGAS UTEX (Colección Cultura de Algas en la Universidad de Texas, en Austin, Texas), con cerca de 3000 especies Lo ideal debe cubrir tres áreas principales: La fisiología y el crecimiento , metabolitos, productos y robustez especies. La fisiología del crecimiento de las microalgas abarca una serie de parámetros tales como: •la tasa máxima de crecimiento específico, •Máxima densidad celular •la tolerancia a las variables ambientales (temperatura, pH, los niveles de CO2, etc) •la variabilidad in situ y el rendimiento en el laboratorio
BIOSÍNTESIS Y REGULACIÓN DE LOS LÍPIDOS •
Triglicéridos (TAGs) son la principal fuente (30% y 60% del peso seco)
•
Los TAGs es el compuesto almacenado en muchas microalgas bajo condiciones de estrés, como la luz alta o escases de nutrientes
•
Estudio de ac. grasos y síntesis de lípidos con el fin de identificar los genes clave, enzimas y vías nuevas implicadas en el metabolismo de los lipidos en especies de microalgas.
•
La ingeniería genética puede ser utilizada para regular metabolismo de los lípidos, para aumentar el contenido de microalgas por la mejora de la vía de síntesis de ácidos grasos, la regulación de la Derivación TAGs sintético, la inhibición de la competencia, así como para mejorar la composición de lípidos.
BIOSÍNTESIS Y REGULACIÓN DE LOS LÍPIDOS factores que influyen en el cultivo de microalgas: •suministro de luz • nutrientes • CO2 • pH, • temperatura • O2
Tasa de crecimiento
Contenido de lípidos
Luz, N, P, y T°C
las condiciones óptimas de cultivo que se debe utilizar para microalgas deben ser aquellos que incremente: tasa de crecimiento y el contenido de lípidos, que son los principales factores que afectan el proceso de biocombustible.
LA LUZ la capacidad de absorción de luz orden de Chlorella es la luz roja, seguido por el amarillo.
•
Ciclo de luz y oscuridad también influyen fuertemente el crecimiento y la eficiencia fotosintética de las microalgas.
La luz natural tiene un espectro de luz completo, lo cual es bueno para el cultivo. Una de las desventajas de los naturales la luz es la dificultad de su control, y es demasiado alta en días soleados sobre todo al mediodía y demasiado bajo en días de lluvia.
NUTRIENTES carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H), el nitrógeno (N), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), hierro (Fe), azufre (S), fósforo (P), y elementos traza. la máxima tasa de crecimiento de Chlorella se encontró con urea y el contenido máximo de lípidos se encontró que con NaNO3
es mejor elegir NaNO3 como fuente de nitrógeno a partir de una consideración de la productividad y contenido de lípidos .
Alta N inhibe la tasa de crecimiento. Posiblemente las microalgas crecen tan rápido con N abundante que P se agota, y por tanto la relación de N/P se ve desequilibrado
respiración de las microalgas se ve afectada negativamente por NH4 + en muy alta concentración
CO2 y pH pH<5
El CO2 es factor limitante en fotosíntesis de microalgas. Requiere concentración de 1-5% V/V. Incremento en niveles de CO2 = incremento eficiencia = Biomasa.
El consumo de CO2 en la fotosíntesis tiende a subir el pH Se debe agregar ácido clorhídrico y acético. El ácido acético además de controlar el pH funciona como fuente de carbono La adición de NaHCO3 suministra CO2 y permite regular el pH.
Mayoría de carbono inorgánico es CO2
pH 6,6
Igual cantidad de CO2 y HCO3-
pH 8,3
Casi todo es HCO3-
OD y temperatura
OD en el medio puede afectar las superviciencia de las microalgas.
Óptimo (25 – 35) °C
Se pueden oxidar 1 o más enzimas afectando la cadena de transporte de electrones inhibiendo la fotosíntesis.
Rango (5 – 35) °C
La temperatura depende de la especie.
Fotobiorreactor Diseño busca
Tipos
Cerrados
Abiertos
Productividad 30 veces más alta que en sistemas abiertos.
Óptima transferencia de masa, de luz y circulación a bajo costo. Maximizar relación área/volumen y proveer luz suficiente.
Placa plana
Columna
Tubular
Transporte aéreo
2400 – 3200 W/m2
Burbujeante
Agitación
40 W/m2
Transferencia de masa
53W/m2
Canales de rodadura de 15- 30 cm de profundidad
Ruedas de paletas conducen el agua por el circuito, evitar la sedimentación de micro algas y aumentar la exposición a la luz y CO2.
Es dificil controlar CO2, temperatura, luz, y pH.
La velocidad de flujo se selecciona dependiendo del hundimiento de las microalgas en el medio.
Una velocidad efectiva es de 10-30 cm/s De los 60s a 70s se usaron para tratar aguas residuales en Israel USA y otros. De los 80s-90s se uso en China, Japón y USA en cultivo de microalgas con fines medicinales (Sopirulina)
Canales con prufundidad menor a 15 cm es de difícil operación, mayores a 50 cm es costoso
La intensidad de luz para chlorella es de 4-30 klx y al medio día puede incrementarse hasta 80-120klx.
Se puede dar foto ihnibición ante una densidad baja de micro algas.
Foto biorreactor abierto
Foto biorreactor cerrado Productividad 30 veces mĂĄs alta que en sistemas abiertos. La trayectoria de la luz (profundidad del medio) es un importante factor de diseĂąo . A una menor profundidad se obtiene mayor productividad pero la intensidad de luz afecta el contenido de lĂpidos
Fotobiorreactor de placa plana
Se alinean horizontal o verticalmente. Presentan alta superficie de exposición y se alcanzan altas densidades. Cuando están horizontalmente reciben mas luz pero son propensos a la foto inhibición. Cuando se alinean verticalmente mejoran las eficiencias pero requiere costos materiales rígidos. Tiene la desventaja de que se tiende a acumular el OD. Además el volumen total de cultivo es bajo.
Fotobiorreactor de columna
Hechos de vidrio, plástico o polietileno. Son similar a los tanques de fermentación pero necesitan luz interna y externa. Altura de 2-2,5 m de alto y 20-50 cm de diámetro. Mezlcado con burbujas de CO2 Difulcultad para obtener altas densidades de biomasa. Cuando la densidad empieza a ser alta la luz limita el crecimiento.
COMBINACIONES DE SISTEMAS ABIERTOS Y CERRADOS Las combinaciones de sistemas son la configuración más eficaz para el cultivo
Las combinaciones pueden ser entre cultivos autotróficos y heterótrofos
Dos procesos se utilizan para aumentar la productividad y el contenido de lípidos de las microalgas Una alta densidad celular se obtiene en el primer paso en fotobiorreactores cerrados con un ambiente controlado.
Las microalgas son expuestos a privación de nutrientes por estar transferidos a los sistemas abiertos para incrementar el contenido de lípidos.
CONCLUSIONES • Los biocombustibles pueden obtenerse a partir de diferentes fuentes, pero las microalgas son de gran interés como una de las fuentes más prometedoras de biomasa para biocombustibles. • Las combinaciones de sistemas son la configuración más eficaz para el cultivo
CO2
Producci贸n de biodisel
BIBLIOGRAFÍA
Mostafa S. Elshahed. 2011. Microbiological aspects of biofuel production: Current status and future directions. Journal of Advanced Research (1), 103–111 ZHU Junying, RONG Junfeng, ZONG Baoning. 2013. Chinese Journal of Catalysis (34) 80–100