Tecnologia para la produccion de Biodiesel, Bioproductos y Biomasa de Microalgas by Edgar Sacayon

ire Tecnología para la Producción de Biodiesel, Bioproductos y Biomasa de Microalgas

Proyecto FACYT 034-2012. Dufusión y Retroalimentación de las actividades de investigación sobre el potencial de la diversisdad de especies de microalgas para la producción de biocombustibles.

Instituto de Recursos Energéticos Universidad Galileo Ing. Judith Diaz Cabera. Directora judithd@galileo.edu Ing. Lourdes Socarrás. Coordinación Académica smerida@galileo.edu Msc. Cristian Guzmán. Coordinación de Investigación cristianfer@galileo.edu Edición Lic. Eduardo Sacayón edsacayon@gmail.com Lic. Rodrigo Blanco rodrigblanc@gmail.com Fotografía y Diseño Gráfico. Centro de la Imagen Digital www.centro-imagen-digital.org Con el apoyo financiero de la Secretaria Nacional de Ciencia y Tecnología de Guatemala Proyecto FACYT 034-2012 © Todos los derechos reservados

Tecnolog铆a para la Producci贸n de Biodiesel, Bioproductos y Biomasa de Microalgas

Tecnología para la Producción de Biodiesel, Bioproductos y Biomasa de Microalgas

Instituto de Recursos Energéticos Universidad Galileo

Indice 1.Introducción �� 5 2.Cultivo �� 6

2.1.Medios de cultivo �� 7 2.1.1.PhytoTechnology Laboratories ��9

2.2.Tecnología para la Identificación y Selección de Cepas. �� 9 2.2.1.Citometría de Flujo ��9 2.2.2.FlowCAM ��9 2.2.3.Guava easyCyteTM ��9 2.2.4.Scepter 2.0, 50pk - 60μM ��9

2.3.Colecciones Científicas de Microalgas �� 10 2.3.1.UTEX ��10 2.3.2.NCMA ��10 2.3.3.Laboratorio de Microalgas de la Universidad Galileo �� 11

2.4.Fotobioreactores �� 11

2.4.1.GF - George Fisher Pipping Systems �� 11 2.4.2.SCHOTT �� 11 2.4.3.IGV- Biotech ��12 2.4.4.Harvel EnviroKingTM UV ��12 2.4.5.BioVantage International ��12 2.4.6.Labfors 5 Lux ��12 2.4.7.Phenometrics ��13 2.4.8.Eco2 Capture ��13 2.4.9.AlgaBag de Algabloom ��13 2.4.10.AlgEternal Technologies, LLC. ��13

Fig. 1. Instalaciones del IRE en Guatemala, Campus Universidad Galileo

2.5.Estanques abiertos de Carril �� 13 2.5.1.Colorado Lining International ��14

2.6.Cultivo en aguas residuales. �� 14 2.7.Cultivos Heterotróficos en oscuridad usando vinazas de la industria azucarera �� 14

3.Tecnologías de Cosecha �� 15

3.1.Biofloculación �� 15 3.2.Floculación �� 15 3.3.Separación hidrodinámica �� 17 3.4.Centrifugación �� 17 3.4.1.Evodos ��17 3.4.2.Flotwegg ��17

Fig. 2. Cumbre Mundial de Biomasa de Microalgas, Denver 2012

3.5.Flotación por Aire Disuelto �� 17 3.5.1.AHTO de World Water Works ��17

4.Tecnologías de Conversión de Biomasa en Biocombustibles. �� 17

4.1.Cavitación ultrasonica �� 17 4.2.Electroporación �� 17 4.2.1.Power Mod de Diversified Technologies Inc. �� 18

4.3.Pirólisis �� 18 4.4.Procesamiento hidrotermico �� 18

5.Bioproductos de Microalgas. �� 18

5.1.Nutraceúticos �� 18 5.2.Pigmentos �� 20 5.3.Farmacéuticos �� 20 5.4.Cosméticos �� 20

6.Bibliografía. �� 21 Fig. 3. Investigadores del IRE, identificando cepas de microalgas.

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1.Introducción

Fig.4. Investigadores del IRE presentando sus resultados de investigación en la 2a Conferencia Internacional de Bioproductos de Microalgas en San Diego, 2012

Fig. 5. Cristian Guzmán y Luis Rodriguez evaluando el biodiesel producido en un reactor experimental.

Fig. 6. Biodiesel en una ampoya de decantación. IRE 2011

La época actual está trayendo a la luz la necesidad de realizar una transición de los combustibles fósiles hacia los biocombustibles y energías renovables. Se ha explorado el uso de semillas oleaginosas obtenidas de cultivos agrícolas para extraer sus aceites mediante diferentes métodos. Existe una polémica fuerte acerca del uso de tierras de vocación agrícola para la producción de biocombustibles líquidos, ya que esta compite con la producción de alimento y genera presión sobre los ecosistemas naturales. Se estima que el área total de tierras agrícolas no se daría a basto para suplir la demanda mundial, por lo tanto, se esta explorando y cada vez de manera más intensiva, las diferentes rutas de producción de biodiesel en las microalgas. En Guatemala, la Universidad Galileo a través del Instituto de Recursos Energéticos se encuentra realizando ensayos para determinar la viabilidad económica a escala industrial de la producción de biomasa de algunas especies nativas y su aprovechamiento como biocombustibles. Son varios los tipos de biocombustibles que pueden generarse a partir la biomasa de microalgas y esto depende de la compartimentación del carbono en proteínas, lípidos, carbohidratos, ácidos nucléicos de la biomasa y los procesos a los que se somete. De la biomasa se puede obtener hidrógeno gaseoso (por generación en vivo), etanol (por fermentación de carbohidratos), biodiesel (mediante extracción de aceite y transesterificación), gasolina y combustible de avión (síntesis e hidrocracking), gas metano (digestión bacteriana o catálisis enzimática), singas (mediante gasificación) y biochar (como subproducto de licuefacción hidrotérmica). Además de los combustibles que pueden generarse, existen algunos productos químicos de alto valor comercial que pueden obtenerse. Entre estos se incluyen algunas vitaminas, B-caroteno, astaxantina, antioxidantes, pigmentos, proteínas y ácidos grasos de valor nutricional. Procesada apropiadamente, puede utilizarse como complemento alimenticio en la dieta de animales de granja. La manera en que se procesa la biomasa es determinante en cuanto al rango de aplicaciones que de esta se pueda dar. Los beneficios de buscar en la microalgas una solución para asistir en la transición del petróleo a las energías renovables han sido evidentes desde el principio, ya que estas crecen rápidamente, son más 5

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productivas que los cultivos agrícolas y, necesitan menos área para producir cantidades equivalentes de biodiesel (en comparación con cultivos de semillas oleaginosas). Sin embargo, la optimización de su producción y procesamiento ha probado ser dificultosa, y no necesariamente rentable hasta el momento para lograr producciones a gran escala que puedan suplir la demanda actual y reducir la dependencia en el petróleo. Es, principalmente por esta razón que se han realizado grandes inversiones monetarias y dedicado intenso esfuerzo de investigación para estudiar y desarrollar las tecnologías que se requieren para producir biocombustibles de microalgas, de manera rentable, eficiente y sustentable. Se han creado consorcios que incluyen entidades académicas, laboratorios, empresas, industrias y entidades gubernamentales con el propósito de implementar en el futuro la generación de combustibles de algas aplicables en la industria y el transporte, uso doméstico y generación de energía eléctrica. La sostenibilidad del proceso completo radica en su capacidad para mantenerse en un equilibrio dinámico.

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Fig. 7.. Estanques esféricos y rectangulares. Laboratorio IRE, 2011.

Son varios los procesos implicados en la producción de biocombustibles a partir de microalgas, y cada uno tiene sus ramificaciones particulares en dependencia del producto final deseado y los subproductos generados, así como el destino de cada uno de ellos. Este reporte tiene como objetivo presentar un panorama general de los avances presentados hasta finales del año 2012, sobre la tecnología y los procesos utilizados en la producción de biomasa para la producción de biodiesel y otros bioproductos. Esta basado en la investigación realizada por el equipo del Laboratorio de Microalgas del Insituto de Recursos Energéticos de la Universidad Galileo, y las visitas a dos ferias internacionales en las cuales se expuso y se retroalimentarion las actividades de investigación. Cabe destacar que dentro de las discusiones llevadas a cabo por los investigadores, economistas y empresarios de todo el mundo sobresalen los siguientes puntos importantes: Que la producción de biodiesel a partir de biomasa de microalgas solo puede ser rentables si se acopla a otros procesos, como la producción de bioproductos secundarios, tratamientos de aguas residuales o incorporación del CO2 proveniente de plantas industriales.

Fig.9. Estanques de Carril (Raceway Ponds) Fuente Google Earth

2.Cultivo Para el cultivo de microalgas se recomiendan cepas nativas sobre especies exóticas debido a que estas se adaptan mejor a las condiciones ambientales locales. El fin último es la generación de biomasa, que puede derivar en diferentes rutas para su procesamiento hacia la obtención de los productos principales y subproductos. Algunas rutas requieren una biomasa rica en lípidos transformables en biodiesel o hidrocarburos, o rica en carbohidratos para la obtención de etanol. Otras requieren volumen de biomasa, para la obtención de otros compuestos de carbono que puedan derivarse en diferentes tipos de combustibles, tal como el biogás (digestión anaeróbica o gasificación catalítica), syngas (pirólisis), etanol (fermentación de la

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en fotobioreactores como en estanques la capacidad fotosintética disminuye con respecto a la profundidad o la densidad del cultivo. Por lo tanto una membrana aumenta la superficie de contacto para la transferencia de gases y aumenta la distribución lumínica en el cultivo, pero no se ha visto un desarrollo comercial.

Fig. 8. Estanques abiertos, Laboratorio IRE, 2011.

Una de las lecciones más importantes en este sentido es la forma en que la que el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha co-financiado un consorcio formado por entidades estatales y privadas para el desarrollo comercial de la producción de biodiesel a partir de microalgas. En el consorcio NABB,1 las universidades e instituciones académico-científico juegan un papel importante en la etapa de investigación y selección de cepas incluyendo su mejoramiento genético. Las empresas privadas intervienen en la etapa de producción y comercialización. Estas son las encargadas de estudiar los sistemas de producción, los ciclos de vida y su adaptación en condiciones a escalas industriales. Puesto que lo importante es la producción de biomasa con fines comerciales estas se encargan de la producción de una forma rentable, y estudian los procesos para reducir los costos a escala industrial y hacer de esta tecnología una industria rentable.

2.1.Medios

Fig. 10. Fotobioreactores para la produccion de inóculos de microalgas. Laboratorio Ire, 2012

celulosa) y biochar (producto sólido de la pirolisis). El proceso de cultivo de microalgas es bastante simple y se centra en dos tecnologías: el cultivo en sistemas cerrados [Fotobioreactores] y en sistemas abiertos [Estanques] ambas tienen ventajas y desventajas. Pero ambos procesos necesitan de las mismas variables, luz, nutrientes, y un sistema de bombeo o circulación. Sin embargo los sistemas abiertos pueden ser más factibles en ambientes tropicales donde las condiciones ambientales durante el año son más estables. El uso de fotobioreactores esta más adecuado a la producción de biomasa para industrias farmacéuticas o de productos de alto valor, ya que la biomasa esta menos expuesta a la contaminación y es de mejor calidad. El cultivo en membranas es una de las innovaciones que se estan implementando en esta etapa, el desarrollo de esta tecnología proviene del hecho que en el medio líquido tanto

de cultivo

Los medios de cultivo están ampliamente descritos en la literatura, (una buena fuente es Andersen 2006) en los que se describen las concentraciones de cada uno de los nutrientes y minerales, (Nitrógeno, Fósforo y Carbono, además de otros elementos menores). Los medios deben ser fabricados según las necesidades de la especie, por ejemplo las diatomeas necesitan un nutriente adicional (Sílice). También se ha observado que en condiciones limitantes de nitrógeno algunas especies tienden a producir y acumular más aceites. Sin embargo se tiene que considerar los costos y las fuentes de estos nutrientes en el análisis tecno económico para que exista un balance positivo en la producción. Por lo tanto se ha propuesto el uso de fuentes de agua residual o desechos industriales (vinazas de la industria azucarera) como medios de cultivo para reducir los costos. En la sección 2.7 se describe con más detalle las oportunidades en el tratamiento de aguas residuales para la producción de biomasa de microalgas. 1 NAAB (The National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproductos) 7

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Fig. 11. Curvas de crecimiento celular por dia, para la identificación de cepas con crecimiento acelerado. Fuente: Laboratorio IRE 2011

Fig. 12. Perfil de ácidos grasos de varias especies de microalgas. Fuente: Laboratorio IRE 2011

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2.1.1.PhytoTechnology Laboratories

2.2.1.Citometría

Producen y proveen medios de cultivo líquidos y en polvo. También fabrican medios de cultivo personalizados, según requerimientos especiales del cliente o de la industria. El medio puede ser fabricado para cultivos de 200L hasta 50,000L. Info: www.phytotechlab.com

2.2.Tecnología para Selección de Cepas.

Identificación

La selección de cepas implica la búsqueda, colecta e identificación taxonómica en cuerpos de agua dulce y salada del territorio nacional. Las cepas para la producción de biocombustibles por lo general deben cumplir con los siguientes requisitos: 1. Tasas de crecimiento relativamente aceleradas. 2. Un perfil de lípidos apropiado. De interés son los ácidos grasos monoinsaturados como el Palmitoléico, Oléico, Linoléico y Linolénico, debido a su estructura química. Las características y calidad del biodiesel para cumplir con las normas ASTM2 y EN2 están relacionadas con los ácidos grasos madres. 3. Un alto rendimiento de producción de aceite por peso seco de biomasa. 4. Buen desempeño y resistencia en el sistema de cultivo, abierto o cerrado. Los laboratorios de algas y colecciones científicas especializadas son las encargadas de ejecutar esta primera fase. En Estados Unidos las colecciones de UTEX y NCMA poseen aproximadamente 5000 cepas aisladas. Para la selección de cepas se utilizan protocolos de análisis en lote, que pueden discriminar de un gran numero de individuos, las cepas con caracteres mas favorables para la producción de lípidos u otros compuestos como pigmentos carotenoides. Una de las técnicas más utilizadas para la selección de cepas productoras de lípidos es por tinción de Rojo-Nilo. Esta técnica es de microscopia fluorescente y tiñe de color amarillos los cuerpos lipídicos de la célula. Otra técnica es la de BODIPY, en la cual se ha visto una mayor duración de la tinción. 2 ASTM = American Standards and Testing Methods, EN = European Norm

Flujo

La “citometría de flujo” es una tecnología basada en la utilización de principios ópticos con luz láser, para el conteo y clasificación de células en base a sus características morfológicas, presencia de biomarcadores y en la ingeniería de proteínas. En los citómetros de flujo, las células suspendidas en un fluido atraviesan un finísimo tubo transparente sobre el que incide un delgado rayo de luz láser, la luz transmitida y dispersada por el pasaje de las células a través del tubo se recoge por medio de unos dispositivos de detección, permitiendo hacer inferencias en cuanto a tamaño y complejidad de las células. También permite el análisis multiparamétrico simultáneo de otras características físicas y químicas, como pigmentos fotosintéticos y lípidos teñidos con diferentes técnicas, evaluando en promedio más de dos mil partículas por segundo.

2.2.2.FlowCAM Este modelo se puede programar para que la cámara de flujo se vuelva inteligente a eventos en los que pasan el mismo tipo de células. Mediante este sistema se puede entrenar al equipo a que detecte los diferentes tamaños y formas celulares características de cada especie de microalgas. Esto permite un conteo con mucha mayor velocidad de una muestra. Por lo que representa una herramienta potencial para estudios de ecología y comunidades acuáticas, calidad de agua, o estudios limnológicos. Su capacidad de detección es de 2µm -2mm, puede hacer análisis lipídicos por tinción de rojo nilo a 488/532nm de excitación laser, y puede detectar organismos más grandes como rotíferos y ciliados.

2.2.3.Guava

easyCyteTM

Cámara de citometría de flujo con mayor resolución, permitiendo hacer la selección de individuos de menor tamaño, hasta 1µm. Aparentemente sus instrumentos son mas precisos y poseen una gama más amplia de medición de parámetros. Puede detectar lípidos por medio de la técnica de BODIPY. Info: www.emdmillipore.com

2.2.4.Scepter 2.0, 50pk - 60μM Contador celular de mano el cual permita contar la densidad celular en un solo muestreo. Este parecería muy útil para hacer mediciones celulares de cultivos 9

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bacteriales y ficológicos. Sin embargo cada punta solo puede utilizarse para un conteo, con un costo aproximado de $5.00 por punta, lo que hace que el costo de esta tecnología sea bastante elevado en países en desarrollo. Info: www.emdmillipore.com

2.3.Colecciones Microalgas

Fig. 13. Cámara de citometría de flujo FlowCam de Fluid Imaging

Científicas

La mayor parte de las cepas utilizadas en investigación y desarrollo provienen de colecciones científicas. Estas instituciones juegan un papel importante en la colecta e identificación de la diversidad de microalgas de un país. Las colecciones de Austin Texas y de la Universidad de Maine son una de las colecciones mas completas e incluyen especies del mundo entero. Las funciones de las colecciones científicas de microalgas son: 1. Identificar taxonómicamente las especies de microalgas. 2. Aislar y mantener viables cultivos axénicos de cada especie. 3. Intercambiar e incrementar el número de especies del cepario.

Fig. 14. Cámara de citometría de flujo Guava Easy Cyte, EMD.

4. Proveer a instituciones académicas, empresas privadas y publico en general cepas para su aplicación comercial y científica.

2.3.1.UTEX La Colección de Cultivos de Algas en la Universidad de Texas en Austin es una de las mas antiguas y mas completas con aproximadamente 3000 especies de todo el mundo. Dentro de sus servicios incluyen talleres para el cultivo y producción de biomasa de microalgas. Info: www.utex.org

2.3.2.NCMA

Fig. 15. Scepter para el muestreo de densidad celular de cultivos algales o bacteriales.

Es la colección de fitoplancton marino del Laboratorio de Ciencias Oceánicas de Bigelow, esta mantiene 2700 especies marinas de todo el mundo e incluyen especies macrofíticas, algunas de aguas dulces y organismos heterotróficos.

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Info: https://ncma.bigelow.org/

2.3.3.Laboratorio de Microalgas Universidad Galileo

Fundado en 2010 este laboratorio posee un número selecto de cepas aisladas de los principales cuerpos de agua dulce de Guatemala. Puede proveer cepas aisladas, inóculos y asesoría en cualquiera de los procesos de producción de biomasa de microalgas. Info: www.galileo.edu/ire

2.4.Fotobioreactores Los fotobioreactores son básicamente sistemas de cultivo cerrados, con una fuente de iluminación la cual puede ser natural o artificial y un sistema de circulación gaseosa. Dentro de los fotobioreactores existen una gama muy amplia de diseños y materiales para su construcción: sistemas tubulares, bolsas plásticas, estanques de vidrio cerrado o depósitos plásticos. Los materiales con los que se pueden fabricar incluyen pvc, vidrio, plásticos de diferentes tipos. Pueden ser del tipo artesanal o incluso totalmente automatizados, a continuación se presentan empresas que fabrican o proveen materiales para la construcción de fotobioreactores.

2.4.1.GF - George Fisher Pipping Systems Esta compañía ofrece una gama muy amplia de tubería de PVC transparente con resistencia UV para la construcción de fotobioreactores tubulares. Los fotobioreactores pueden ser construidos en arreglo vertical u horizontal con la ventaja de escalabilidad.

Fig. 16. Cámara de citometría de flujo FlowSight, con mayor resolución y capacidad de análisis de tinciones NiloRojo y Bodipy

Fig. 17. Sonda del FlowSight realizando un conteo en una muestra de agua.

Info: www.gfpiping.com

2.4.2.SCHOTT Esta compañía fabrica los tubos de borocilicato para la construcción de fotobioreactores tubulares de vidrio. El vidrio posee una serie de propiedades ventajosas sobre los plásticos, que los hacen ideales para la producción de bioproductos de alto valor. 1. Durabilidad mayor de 20 años y elimina la posibilidad de que se ralle interna y externamente. 2. Permite la mejor transmisión de la luz.

Fig. 18. Monitor del FlowSight realizando un análisis de un cultivo en tiempo real.

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3. Facilita la limpieza con el uso de pellets de polímeros o agentes químicos. 4. Reduce la formación de acumulaciones celulares en las paredes de los tubos. 5. No se deforman con el tiempo. Info:www.us.schott.com/pbr

2.4.3.IGV- Biotech Esta empresa asociada a SCHOTT es la que se encarga del diseño y puesta en marcha de fotobioreactores, tubulares de vidrio.

Fig. 19. Tuberias de PVC transparentes para la construcción de Fotobioreactores.

2.4.4.Harvel EnviroKingTM UV Fotobioreactores tubulares de PVC transparentes tratados contra UV, también proveen de una gama amplia de accesorios para realizar toda la instalación, codos, llaves de paso, acopladores.

2.4.5.BioVantage International Esta empresa fabrica fotobioreactores de columna tubular con una fuente de iluminación Led externa introducida con una sonda de vidrio esmerilado para la dispersión de la luz dentro del cultivo. La fuente de poder de la luz está en la parte externa por lo que la transmisión de calor es mínima. Estos también están siendo promocionados como fotobioreactores para mantener cultivos de inoculo en un laboratorio.

Fig. 20. Fotobioreactores de vidrio. de la compañia Schott

Info: www.biovantageresources.com

2.4.6.Labfors 5 Lux Este es un fotobioreactor para fines experimentales, con la capacidad de controlar el panel de iluminación LED con 3 tipos de luz, infrarroja, ultravioleta y luz normal para poder realizar ensayo de los efectos de la luz en el cultivo. También tiene la capacidad de medir variables fisicoquímicas (Temperatura, luz, pH, pO2) dentro del cultivo o la adición de sondas para la medición de parámetros adicionales seleccionados por el usuario. Info: www.atrbiotech.com Fig. 21. Sistema de automatización del fotobioreactor.

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2.4.7.Phenometrics Diseña un fotobioreactor experimental, estos fotobioreactores sirven como modelo o como control de un raceway pond o de otro FB, con iluminación Led, se pueden incluso acoplar para saber que esta pasando, mide, pH, Temperatura, Iluminación, Oxigeno (revisar el sitio de Phenometrics) Info: www.phenometricsinc.com

2.4.8.Eco2 Capture Fig. 20. Fotobioreactores de vidrio BioVantage con una fuente de luz LED.

Estos fotobioreactores de membrana ofrecen la posibilidad de cultivar algas en un medio sintético, la tecnología se basa en el hecho que en una superficie más amplia y más delgada, las algas pueden tener un intercambio gaseoso más eficiente. Sin embargo parece que la tecnología todavía se encuentra en etapa de desarrollo pues hasta el momento ninguna empresa reporta la producción de biomasa utilizando este sistema. Info: www.eco2capture.com

2.4.9.AlgaBag

Fig. 21. Fotobioreactore Labfors 5 de ATR

Algabloom

Este es un fotobioreactor hecho de bolsa plástica muy resistente diseñado para ser usado en áreas rurales. Una de las características de este fotobioreactor es que tiene la capacidad de generar ondas dentro del fotobioreactor para la mezcla del medio de cultivo. Su bajo costo debido a los materiales de fabricación son uno de los principales elementos publicitarios.

2.4.10.AlgEternal Technologies, LLC. Empresa que se dedica a la asesoría para la instalación de sistemas de cultivo de microalgas en fotobioreactores cerrados. Info:www.algeternal.com

2.5.Estanques

Fig. 22. Fotobioreactores experimentales de Phenometrics.

abiertos de

Carril

Los estanques abiertos de Carril (Raceway), ya tienen tiempo de ser utilizados en una gran cantidad de países. En Asia se producen las cantidades mas grandes de biomasa de Spirulina, Chlorella y otras especies para consumo humano y alimento de peces y camarones. El diseño es en forma de “U” y utilizan una rueda de paletas para hacer circular el agua. Saphire Energy es 13

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la empresa que se ha propuesto producir crudo verde a partir de microalgas utilizando estos estanques. Tiene una de las instalaciones más grandes en el estado de Nuevo México.

2.5.1.Colorado Lining International Produce el revestimiento de los estanques abiertos con un material de polipropileno. También es distribuidor de sistemas de aeración en lagunas de oxidación para el tratamiento de aguas residuales. Info: aharvey@coloradolining.com

2.6.Cultivo

en aguas residuales.

Fig. 23. AlgalBag de la empresa AlgaBloom.

Una de las alternativas que parece prometedora para el cultivo de microalgas es en plantas de tratamiento de aguas residuales. En plantas de tratamiento donde se utilizan lagunas de oxidación en la segunda etapa de purificación el procesos de digestión anaerobia y aerobia se realiza por bacterias y microalgas. Es aquí donde se puede aprovechar el efluente residual como medio de cultivo ya que provee una fuente de nitrógeno, fósforo y otros nutrientes. Las ventajas de utilizar una planta de tratamiento de agua residual son las siguientes: 1. No pone en peligro fuentes de aguas potable. 2. Se elimina el costo de fertilizantes para el cultivo de microalgas ya que utiliza los fosfatos y nitratos del agua contaminada. 3. Se está tratando aguas residuales con lo que se obtiene un doble beneficio. 4. Los estanques pueden funcionar como fijadores de Carbono si se acoplan a plantas de generación de energía que poseen chimeneas. Sin embargo aún hay que desarrollar la tecnología para hacer esto una realidad. Uno de los aspectos importantes es que se debe seleccionar un consorcio de especies que dominen el estanque. Evaluar el comportamiento y además evaluar la cantidad de biomasa y aceite que se puede producir en condiciones locales. La ubicación de una fuente de carbono también de considerarse así como los costos de operación de la planta. La cosecha es tal vez uno de los factores mas importantes.

Fig. 23. Fotobioreactor experimental de la Universidad de Texas.

2.7.Cultivos Heterotróficos

oscuridad usando vinazas de la industria azucarera

Otro de los medios de cultivo que se han propuesto es el aprovechamiento de los subproductos de la industria del azúcar y de la fermentación alcohólica. Las vinazas por lo regular poseen un contenido de azucares que pueden ser utilizados como fuente de carbono por algunas especies de microalgas. Es conocido que solo algunas especies en condiciones de oscuridad pueden cambiar el mecanismo fotosintético a un mecanismo heterotrófico utilizando azucares como fuente de carbono. A pesar de que se están estudiando los mecanismos metabólicos se han logrado obtener bueno resultados con sustratos como glucosa, fructosa y galactosa, por lo que se propone los subproductos

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2) Las microalgas son organismos unicelulares que oscilan entre 1 – 10 υm por lo que se encuentran en suspension.

Fig. 24. Fotobioreactor experimental de QuBit Systems.

En cuanto a los métodos de cosecha, se evalúan varias alternativas: la biofloculación, floculación química, centrifugación, filtrado, separación por flotación de aire. Cada método tiene sus ventajas y desventajas en el momento de su aplicación. Algunos métodos consumen demasiada energía (centrifugación) o requieren de productos químicos costosos (en el caso de los floculantes). Algunos de ellos son eficientes cuando se practican a pequeña escala. La filtración tangencial es útil para algunas especies, con la desventaja de que los filtros se ocluyen rápidamente. También se utiliza el ultrasonido en el rango alto (2 MHz), con altas eficiencias cuando se aplica a volúmenes reducidos. El principio básico es la agregación de células en los nodos de las ondas, que luego sedimentan por gravedad. El método y las tecnologías a utilizar para la cosecha de microalgas suspendidas en cultivo ha de ser elegido de acuerdo a las aplicaciones a las que se destinará la biomasa.

3.1.Biofloculación

Fig. 25. Uso de LEDs para la iluminacion de fotobioreactores.

de la industria azucarera como un buen medio de cultivo. Las ventajas que se proponen de utilizar este mecanismo de cultivo es que no se necesita de una fuente de iluminación que promueva la fotosíntesis. Esto facilita el diseño de los reactores y reduce los costos de mantenimiento.

3.Tecnologías

Cosecha

La cosecha de la biomasa todavía presenta algunos desafíos debido a los siguientes factores: 1) la biomasa esta en un medio acuoso por lo que se necesita de energía para su separación y secado.

La biofloculación es el mecanismo por el cual las células se agregan en el medio de cultivo de una forma natural o por medio de otro organismo. Una de las investigaciones más innovadoras en términos de sistemas de cosecha fue el realizado por el Centro de Ciencias Ambientales de Maryland, en el cual utilizan una cepa de la bacteria gram negativa del género Bacillus para inducir la agregación del alga marina Nannocloropsis y de esta manera acelerar la floculación. Las células del bacilo funcionan como agente atractor debido a las cargas iónicas de la pared celular, las cuales atraen a las células de la microalga que posee una carga positiva.

3.2.Floculación La floculación se basa en la neutralización de las cargas negativas sobre la superficie celular mediante cationes (generalmente de hierro o aluminio), que conducen a la formación de flóculos que sedimentan. Un inconveniente de la floculación mediante sales de hierro o aluminio son los residuos metálicos en la biomasa, que pueden interferir en la extracción de los productos de la biomasa y limitar su uso en aplicaciones de consumo animal. La floculación también puede 15

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Fig. 25. Biomasa de microalgas en el Lago de Amatitlán el cual presenta niveles altos de contaminación. Marzo, 2011.

Fig. 26. Cosecha de Biomasa del lago de Amatitlán para la evaluación del perfil de ácidos grasos. Marzo, 2011

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inducirse con sustancias orgánicas como el almidón catiónico y el quitosano. Estos no presentan problemas en aplicaciones en los que se deriva alimento animal como un subproducto.

3.3.Separación

hidrodinámica

El centro de investigación de Palo Alto (PARC) tiene un dispositivo que utiliza la fuerza centrifuga para la separación de algas, flóculos o solidos suspendidos. Este utiliza los patrones de flujo transversal a través de un canal curvo para realizar la separación de las algas. Esta tecnología apenas fue anunciada en el 2012. Info:www.parc.com

3.4.Centrifugación La centrifugación es energéticamente costosa, pero eficiente y no introduce otros compuestos químicos que puedan interferir en sus aplicaciones posteriores. Es útil para producir biomasa que tiene como destino el consumo humano y la extracción de productos químicos finos.

3.4.1.Evodos Compañía holandesa que se dedica a la fabricación de centrifugas, con tecnología propietaria, para la separación de biomasa de microalgas sin ningún daño celular. Info:www.evodos.eu

Esta empresa alemana posee un amplia gama de equipo de separación, centrifugas, decantadoras y separados para varias industrias, incluyendo aceites y biocombustibles. Info: www.flottweg.com por

3.5.1.AHTO

World Water Works

Esta tecnología toma sus siglas de (Algae Harvesting Technology Optimized) es una maquina que separa la biomasa de un estanque por medio de micro burbujas que crean una capa espumosa en la superficie de la maquina la cual es cosechada por medio de un barrido. Info: www.worldwaterworks.com

4.Tecnologías de Conversión Biomasa en Biocombustibles.

Aire Disuelto

La tecnología de flotación por aire disuelto fue desarrollada para el tratamiento de aguas residuales, y la eliminación de sólidos en suspensión y otras partículas menores que pueden ser llevadas a la superficie por medio de micro-burbujas. La flotación por burbujas de aire, que genera una espuma a veces sirviéndose de una sustancia surfactante, puede separarse posteriormente de la superficie del medio acuoso.

Una vez se obtiene la biomasa mediante cualquiera de los métodos anteriores, existen dos caminos que se pueden seguir, uno es cosechar la biomasa húmeda, secarla y luego extraer el aceite por los métodos tradicionales que utilizan solventes orgánicos o prensas mecánicas. El segundo es procesarla directamente en el medio de cultivo por medio de ultrasonido, digestión enzimática, solventes solubles en agua, licuefacción hidrotérmica, transesterificación directa, o extracción in vivo. Así mismo, los tipos de combustibles obtenidos mediante cada método de procesamiento/extracción son diferentes. Uno de los retos principales es mantener la rentabilidad y productividad, generando combustibles que tengan demanda en los diferentes mercados energéticos.

4.1.Cavitación

3.4.2.Flotwegg

3.5.Flotación

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ultrasonica

Este procedimiento permite la fractura de la pared celular por medio de ultrasonido, directamente en el medio liquido, el principio de cavitación ultrasónica genera millones de burbujas microscópicas, las cuales sufren rapidísimos procesos de expansión y colapso que pueden fracturar la pared celular de las microalgas al entrar en contacto. Todavia no se ha desarrollado mucho pero existen algunos resultados preliminares que confirman la ruptura de la pared celular de algunas especies.

4.2.Electroporación Esta tecnología es un proceso de bajo costo energético que aplica impulsos eléctricos de alto voltaje a líquidos y lodos. Estos impulsos rompen con la pared celular mediante un proceso llamado electroporación. La electroporación o electropermeabilización es un significativo aumento de la conductividad eléctrica y 17

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la permeabilidad de la membrana plasmática celular causado por un campo eléctrico aplicado externamente. Si este campo eléctrico es aplicado excesivamente la pared o membrana celular puede ser fracturada.

4.2.1.Power Mod de Diversified Technologies Inc. Esta compañía produce una unidad para la aplicación de electroporación a cultivos de microalgas, sin embargo no existen evidencias de la eficiencia de este procedimiento a escala piloto. Info: www.divtecs.com

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ser acoplados en un sistema binario para producir un “crudo verde”, termino que se refiere al producto de este proceso por ser una especie de petróleo que proviene de microalgas. El proceso de Licuefacción hidrotérmica utiliza “agua supercrítica” (350º y 200bar de presión) para transformar la porción orgánica de la biomasa en aceite, debido a que también transforma proteínas y otros carbohidratos el rendimiento de producción de aceite es mas elevado que otros métodos de extracción. El agua residual puede ser utilizada para el proceso de Gasificación Hidrotérmica Catalítica el cual transforma la biomasa residual en el agua en metano, que puede ser utilizado como fuente de energía.

4.3.Pirólisis El proceso de la pirólisis utiliza biomasa de diversas procedencias, tales como productos de la madera, biomasa vegetal y biomasa microalgal. Para llevar a cabo este, es necesario contar con un porcentaje óptimo de agua que permita las reacciones químicas que se dan a las altas temperaturas y presiones ejercidas durante el proceso en presencia de aire y oxígeno, sin llegar a la combustión. Es en relación al tiempo en que se somete la biomasa a determinadas condiciones de presión y temperatura, son diferentes los productos obtenidos en rangos variables de sólidos, gases y líquidos. La gasificación transforma la biomasa en gran parte a gas (syngas: mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono) y un porcentaje pequeño de sólidos, que consiste principalmente en cenizas. La pirolisis rápida genera principalmente líquidos, y un menor porcentaje de sólidos y gases. La fracción líquida contiene los lípidos e hidrocarburos extraídos y generados mediante reacciones con carbohidratos y proteínas. De esta se derivarían combustibles líquidos. De la fracción líquida acuosa se obtiene biogás mediante gasificación catalítica. El sólido consiste principalmente en inorgánicos insolubles y materia orgánica sólida llamada biochar, similar al carbón, fracción en donde se encuentra la mayor proporción de las cenizas residuales.

4.4.Procesamiento

hidrotermico

Los procesos de biorefinería apuntan hacia una nueva industria que podría en corto plazo resolver los cuellos de botella del proceso de conversión de biomasa algal. Estos sistemas uno llamado Licuefacción Hidrotérmica y el de Gasificación Catalítica Hidrotérmica pueden 18

5.Bioproductos

Microalgas.

Las algas son cultivadas en el mundo entero no solo como fuentes de biocombustibles, también existe una gran variedad de bioproductos que se pueden obtener. Estos están altamente cotizados en el mercado internacional y existen muchos bioproductos de alto valor económico. A continuación se mencionan algunos de los mas importantes para la producción industrial.

5.1.Nutraceúticos Chlorella vulgaris es una de las especies de algas más utilizadas en la industria nutricional. Ha sido considerado como un “Superalimento” aunque este término es muy utilizado como una estrategia de mercadeo. Su contenido proteico es elevado, 51-58% de proteínas, 12-17% Carbohidratos, 14-22% de lípidos. La producción comercial de Chlorella empezó en los años sesentas en Japón. Por algún tiempo se creyó que esta podría ser una solución a las crisis alimenticias. Actualmente es producida por más de 70 compañías, la más grande ubicada en Taiwán, produciendo 400 toneladas de biomasa seca al año. Alemania también produce 130-150 toneladas anuales con un sistema de fotobioreactores tubulares. Las ventas anuales pueden alcanzar un aproximado de 38 billones de dólares. La sustancia mas importante en Chlorella es β-1,3glucano, el cual es un inmunoestimulante activo, un destructor de radicales libres y un reductor de lípidos. Otros efectos positivos han sido reportados, en ulceras gástricas, heridas, constipación, acción preventiva en

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Fig. 27. Centrifugadora del laboratorio del IRE para la cosecha de Biomasa en tandas de 750ml.

Fig. 28. Cristian Guzmán, coordinador de investigación con la biomasa de Scenedesmus despues de salir de la centrífuga.

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contra de la arterosclerosis e hipercolesterolemia y tumores. Los nutrientes del alga no pueden ser digeridos a menos que se rompa la membrana celular, por lo que diferentes métodos de ruptura se han utilizado para producir productos comerciales digeribles. Otro de las aplicaciones de Chlorella en la industria acuicultora de moluscos, camarones y pescado, es como alimento fresco o como aditivo a otros suplementos nutricionales. También puede ser utilizada como suplemento nutricional en concentrados de animales domésticos y pecuarios. Esta afecta positivamente la fisiología por medio de su contenido elevado en ácidos grasos esenciales, respuesta inmunológica y fertilidad, control de peso y su apariencia externa. En el análisis presentado por la compañía Scoular3 uno de las nutrientes con mayor valor en el mercado son todas las fuentes de Omega 3 y otros ácidos grasos poliinsaturados como Acido Alfa Linolénico (ALA), Acido Eicosapentanoico (EPA) y ácido docosahexaenoico (DHA). Estos tienen aplicación no solo para el consumo humano sino también como concentrado para la industria acuicultora y agropecuaria.

5.2.Pigmentos El contenido de pigmentos xantofílicos también ha sido reportado y de hecho Micractinium cultivado en aguas residuales ha sido utilizada en la industria avícola para ayudar en la coloración de pollos y huevos. Tradicionalmente se ha utilizado Haematococcus una alga clorofita, en la producción de astaxantina, un pigmento carotenoide con efectos antioxidantes, utilizado en la industria acuicultora, farmacéutica, cosmética y de suplementos alimenticios. Monoraphidium sp. GK12 posee un contenido más elevado de β-caroteno que Haematococcus y altos niveles de acido pantoténico. También posee un alto contenido de ácidos grasos poliinsaturados, del cual el acido linoléico (C18:3 n-3) es el más abundante.

5.3.Farmacéuticos El grupo de las Cianobacterias es el que posee un mayor potencial para el desarrollo de productos farmacéuticos, ya que los subproductos de su metabolismo celular son toxinas. La mayoría de las especies de Microcystis han sido estudiadas por sus microcistinas y sus efectos sobre peces, animales y la 3

http://www.scoular.com/ 20

Fig. 29. Biomasa de Scenedesmus deshidratada en u

salud humana. Una lectina (proteína específica) obtenida de Microcysistis viridis y Microcystis aeruginosa presenta actividad inhibitoria en las células huésped del virus HIV. Limnothrix es una de las cianobacterias que esta siendo estudiada para producir Ficocianina, un pigmento que tradicionalmente se ha obtenido del alga Spirulina y ha sido utilizado como pigmento de alimentos. Sin embargo Miroslav Gantar especialista en cianotoxinas observó actividad antimicrobial y citotóxica en células cancerígenas.

5.4.Cosméticos No cabe duda que la industria cosmética también ha aprovechado algunas especies. Chlorella es una de las mas utilizadas y algunas proyecciones estiman que esta industria generará 10 billones de dólares para el 2015. Muchas especies de algas tienen propiedades anti irritantes, antioxidantes, humectantes, antienvejecimiento que pueden ayudar en el cuidado de la piel y el cabello.

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un secador solar experimental del Laboratorio IRE.

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Primera Impresion de 100 Ejemplares Guatemala Noviembre del 2012.