Microalgues i biocombustibles Microalgues i cianobacteris representen una alternativa per a la generació de biocombustibles. Les limitacions en la disponibilitat de combustibles fòssils i el preu creixent dels mateixos, al costat de la preocupació per l’emissió de gasos d’efecte hivernacle, fonamentalment CO2, han augmentat l’interès per la producció i ús de combustibles de caràcter renovable. La fotosíntesi és capaç de generar biocombustibles sòlids, líquids i gasosos. La fotòlisi de l’aigua a costa de l’energia lluminosa rendeix oxigen, que s’allibera a l’atmosfera, i electrons capaços de reduir compostos oxidats pobres en energia, com el CO2, generant compostos reduïts rics en energia. Les fonts actualment emprades per a la producció de biocombustibles són plantes superiors amb ús alimentari, com ara les oleaginoses -entre les quals cal citar soja, gira-sol, colza, coco i palma- i plantes que acumulen hidrats de carboni -cereals o canya sucrera-. Microalgues i cianobacteris tenen un elevat rendiment fotosintètic i de generació de biomassa, en la qual poden arribar a acumular com a material de reserva nivells considerables de sucres o triacilglicerols, susceptibles de ser transformats en biocombustibles per a automoció. L’absència d’estructures de suport (tiges, arrels etc.), La capacitat de créixer en medi líquid (el que facilita l’operació i automatització dels sistemes de producció), així com el fet de no constituir font d’aliment humà augmenten el potencial de les microalgues com a matèria primera per a l’obtenció de biocombustibles.
Institut de Bioquímica Vegetal i Fotosíntesi (CSIC-Universitat de Sevilla) L'Institut de Bioquímica Vegetal i Fotosíntesi (IBVF) investiga la biologia fototròfica, és a dir, l'estudi dels organismes que creixen gràcies a la captació de l'energia de la llum i dels processos metabòlics que duen a terme. Entre aquests estudis, la producció de compostos d’interès energètic per microorganismes fotositètics és rellevant en l'àmbit de la recerca de fonts d'energia renovables.
Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) - 1-
Avui en dia, el principal desavantatge de les microalgues rau en la limitació de coneixement i tecnologia per al seu adequat cultiu massiu, especialment si es compara amb l'agricultura tradicional. En concret, hi ha escassetat d'informació respecte a la(es) estirp (s) idònie(s) en què simultàniament concorrin alta taxa de creixement i elevada acumulació de lípids o carbohidrats, les condicions de cultiu en que s'optimitzi la productivitat d'aquests compostos, i els sistemes de producció idonis, en els que es minimitzin els costos d'inversió i operació, així com el consum energètic. Els avenços en aquestes línies han de permetre assolir elevada productivitat a baix cost i possibilitar l'escalat a nivell industrial.
Quimiostadis per al cultiu de microalgues en règim continu. Font: IBVF ( CSIC-US)
Les investigacions del grup de Biotecnologia de Microalgues del IBVF (CSIC-US) se centren en la producció per microorganismes fotosintètics de compostos amb interès comercial, industrial o energètic. Per a això, s'investiga en primera instància sobre organismes i condicions de cultiu en condicions controlades de laboratori, procedint posteriorment a la verificació de la viabilitat i eficiència dels cultius a la intempèrie, en una planta pilot d'experimentació. A partir del coneixement profund dels organismes, dels processos implicats i dels sistemes de cultiu, es persegueix aprofitar la capacitat fotosintètica de microalgues i cianobacteris per generar productes d'interès energètic, alhora que es contribueix a eliminar CO2 de processos industrials. Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) - 2.
Cultiu de microalgues: fotobiorreactors La implantació de sistemes de producció massiva de microalgues a la intempèrie pot representar una revolució en producció vegetal. Els organismes i sistemes de cultiu empleats difereixen considerablement dels utilitzats tradicionalment en agricultura, si bé es troben igualment subjectes a variació estacional. De fet, la temperatura i la radiació solar són factors que determinen en gran mesura la productivitat dels cultius fototròfics d'algues a l'exterior. La densitat de població i la turbulència són també paràmetres determinants, havent combinar adequadament d'acord amb el pas de llum (diàmetre o profunditat) del sistema emprat, a efectes de propiciar la millor captació de llum per la suspensió cel·lular. El disseny i rendiment del reactor són extremadament importants, tenint en compte aquestes peculiaritats. La majoria dels sistemes de producció presenten rendiments mitjans de 10 a 15 g per metre quadrat i dia (unes 30-45 ton ha-1 any-1, per a 300 dies d'operació efectiva l'any), encara lluny dels rendiments màxims estimats.
Sistemes oberts a l'aire La millor opció de moment la constitueix l'estany horitzontal poc profund de tipus "Raceway". Cada unitat de cultiu ocupa una àrea d'entre diversos centenars i pocs milers de metres quadrats, estant composta de dues o més pistes anivellades de 2 a 10 m d'ample i 15-30 cm de profunditat, separades entre si per envans verticals, podent adoptar un sistema de meandres. Al llarg d'aquests canals, el pis i parets solen estar recoberts per una capa de plàstic inert, flueix la suspensió cel•lular a una velocitat de 0,2 a 0,5 m s-1, impulsada per l'acció de paletes giratòries, hèlixs o bombes.
Estanys oberts de 100 i 300 L Font: IBVF ( CSIC-US)
- 3- Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques
El sistema s'opera extraient la suspensió de manera intermitent i retornant a l'estany en el possible el líquid sobrant, un cop recollides les cèl•lules. La concentració dels diferents nutrients s'estima a intervals regulars, corregint per evitar limitacions en els mateixos. El cultiu en massa de microalgues en estanys oberts combina característiques típiques dels cultius agrícoles (ús extensiu de terreny, aigua i nutrients, així com dependència del clima i de la radiació solar), amb altres que s'assemblen l'aqüicultura i, sobretot, amb aquelles pròpies de processos industrials per al cultiu de microorganismes, com ara operació contínua, aportació dosificat de nutrients i control del procés de producció. Les limitacions dels sistemes oberts dificulten el manteniment en el temps de cultius monoalgales i lliures de predadors, pel que la seva ocupació a gran escala s’ha limitat a estirps que es desenvolupen adequadament en condicions restrictives de pH (Arthrospira) o salinitat (Dunaliella), o que es comporten com “mala herba” (Chlorella), multiplicant activament i restringint el desenvolupament d’altres organismes, el que de vegades comporta la producció de compostos lelopàtics.
Sistemes de cultiu tancats Presenten una major sofisticació tecnològica que dificulta la invasió per organismes contaminants, tot oferint millors condicions de cultiu de la microalga i possibilitant el manteniment de cultius monoalgales. En els fotobioreactors tancats poden mantenir valors de densitat cel•lular més elevats que en els oberts, subministrant major productivitat que aquests, encara que els costos de construcció, manteniment i operació dels sistemes tancats són considerablement majors. Si bé amb reactors plans s'aconsegueixen els millors El disseny del reactor ha de tenir en compte el flux idoni i l'adequat intercanvi gasós, a més de maximitzar la captura de llum, al mateix temps que es minimitza l'ocupació de superfície. El diàmetre del tub ha d'estar entre 2 i 15 cm, i el valor òptim d'aproximadament 10 cm. La mida de la unitat d'aquest tipus de reactor no hauria de sobrepassar els 5.000 l.
Fotobiorreactor tubular tancat de 55 L. Font: IBVF ( CSIC-US)
Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) - 4-
La major planta en operació basada en reactors tubulars (de disposició vertical) es troba a Klötze, Alemanya, (600.000 l) i es dedica a la producció de biomassa microalgal (Chlorella) per a consum humà. Aquests fotobioreactors tubulars consisteixen essencialment en tubs transparents de vidre o material plàstic, connectats en sèrie o en paral·lel per formar el col•lector solar, a través del qual es recircula la suspensió cel·lular mitjançant bombes mecàniques o sistemes "airlift", en què el flux de aire sustenta el moviment de la massa líquida. Els sistemes tubulars amb circulació impulsada per "airlift" són robustos i menys susceptibles a la contaminació que els basats en bomba mecànica. L’airlift compleix la doble funció de bomba i d'intercanviador de gasos, eliminant l'excés d'oxigen generat fotosintèticament, que acumula el cultiu en el seu recorregut pel col·lector solar.
Fotobiorreactor vertical pla de 350L. Font: IBVF ( CSIC-US)
Sistemes semioberts Actualment, es presta també atenció al disseny i verificació d'eficiència de reactors plans simples, de baix cost de construcció i operació, que consisteixen essencialment en una bossa de plàstic transparent que conté entre 100 i 1000 l de suspensió cel•lular, mantinguda entre suports metàl•lics verticals simples d'uns dos metres d'altura, sent l'ample del reactor semblant al diàmetre dels sistemes tubulars. L'agitació s'aconsegueix insuflant aire i el sistema pot termostatizarse mitjançant un intercanviador de calor col•locat al seu interior. Aquests sistemes plans "semioberts", amb propietats híbrides d'estanys i sistemes tancats, presenten interessant potencial per a l'ús en aproximacions massives, com serien aquelles dirigides a l'aprofitament de les microalgues per a la captura de CO2 i / o la generació de biomassa per al seu ús com a matèria primera de biocombustibles. - 5- Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC)
Cianobacteris i enginyeria metabòlica El creixent interès de la societat pels recursos de la terra, i la preocupació sobre les conseqüències que l'ús dels mateixos pugui comportar, està incidint en la recerca de noves aproximacions que permetin obtenir fonts d'energia que presenten una menor incidència en la viabilitat futura de la Terra, en especial en tot allò que pugui afectar el canvi climàtic, com l'augment del CO2 atmosfèric. Les cianobacterias, que duen a terme la fotosíntesi oxigènica fixant el CO2 atmosfèric, són capaços d'adaptar a diferents condicions ambientals per la seva elevada plasticitat metabòlica. L'estudi del seu metabolisme permetrà la seva aplicació en l'obtenció de biocombustibles partint de compostos abundants i senzills com són l'aigua, l'energia solar i el CO2. L'alteració del metabolisme de les cianobacteris mitjançant l'ús de tècniques d'enginyeria genètica permet redirigir el flux de carboni, des del CO2 fins a productes amb alt valor energètic, destacant entre aquests la producció d'alcohols com l'etanol o el butanol, la producció d'àcids grassos precursors del biodièsel o d'alcans precursors de gasolines i querosè. La cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 és un model experimental adequat a causa del coneixement del seu genoma complet ia la disponibilitat d'eines que permeten la seva manipulació genètica.
L'esquema mostra la producció fotosintètica d'etanol per Synechocystis, per al que ha estat necessari la introducció del gen pdc (piruvat de carboxilasa) del bacteri Zymomonas mobilis. L'activitat enzimàtica alcohol deshidrogenasa (ADH) és l'endògena d'aquest cianobacteri.
El grup Expressió Gènica i Transducció de Senyals en organismes fotosintètics del IBVF està realitzant treballs encaminats a la construcció d'estirps de Synechocystis capaços de produir etanol o que incrementin el seu contingut en àcids grassos. Per a això es necessiten controlar diverses rutes metabòliques i en alguns casos la introducció de gens d'altres organismes que permetin completar la via metabòlica per a la producció dels compostos energètics d'interès. Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) -6-
Si desitgeu més informació sobre les línies de recerca de l’Institut de Bioquímica Vegetal i Fotosíntesi (CSIC-Universitat de Sevilla), visiteu el lloc web: www.ibvf.csic.es/ Si desitgeu contactar amb algun investigador, contacteu amb nosaltres a través del lloc web de TalentLab: www.talentlab.csic.es/recursos
- 7- Energia Viva: Microalgues i combustibles - TalentLab. Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC)