2. Biorreactores específicos
Programa de la asignatura:
Ingeniería de biorreactores II
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Biorreactores específicos
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Ingeniería de biorreactores II Biorreactores específicos
Índice Presentación de la unidad ......................................................................................................... 2 Propósitos de la unidad ............................................................................................................. 3 Competencia específica ............................................................................................................ 4 2.1. Biorreactores anaerobios semicontinuos ........................................................................... 4 2.1.1. Biodigestión anaerobia .................................................................................................... 5 2.1.2. Componentes y materiales de un biorreactor anaerobio .............................................. 12 2.1.3. Parámetros de diseño de una planta de biodigestión anaerobia .................................. 20 2.2. Fermentadores para producción de bioetanol ................................................................. 38 2.2.1. Fermentación a partir de carbohidratos, materiales amiláceos y hemicelulósicos ....... 40 2.2.2. Componentes y materiales de un fermentador ............................................................. 54 2.2.3. Parámetros de diseño para un fermentador ................................................................. 56 2.3. Fotobiorreactores para producción de biohidrógeno ....................................................... 73 2.3.1. Mecanismos de producción de biohidrógeno................................................................ 76 2.3.2. Diseño para obtención de hidrógeno por biofotólisis indirecta ..................................... 81 2.4. Fotobiorreactores para cultivo de microalgas oleaginosas .............................................. 95 2.4.1 Bioproceso para generación de microalgas ................................................................... 97 2.4.2. Componentes y materiales de un fotobiorreactor para cultivo de microalgas ............ 108 2.4.3. Parámetros de diseño……………………………………………………………………....113 Actividades ............................................................................................................................ 122 Autorreflexiones..................................................................................................................... 122 Cierre de la unidad ................................................................................................................ 123 Para saber más ..................................................................................................................... 123 Fuentes de consulta .............................................................................................................. 124
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Presentación de la unidad Una de las tendencias biotecnológicas actuales, apuntan hacia las áreas de: la biotecnología industrial (constituida por las áreas de la biotransformación, la bioproducción y la biotecnología ambiental) y la biotecnología energética. La biotecnología industrial, como lo viste en la primera unidad, utiliza como herramienta, el diseño de reactores, en los que las biopelículas y las enzimas inmovilizadas juegan un papel importante en procesos tales como: la depuración de aguas residuales y grises, el control de emisiones contaminantes a la atmósfera, la generación de nuevos medicamentos y alimentos, entre otros. Por otro lado, la biotecnología energética, que se conocerás en esta unidad, se caracteriza por la utilización de microorganismos y microalgas, para la producción de biocarburantes tales como: el bioetanol, el biodiesel o el biogás; a partir de materias primas de naturaleza orgánica, es decir, de la biomasa. Con esta área, se busca la disminución de la dependencia del uso de los combustibles fósiles, lo que impactará en el crecimiento económico de las regiones, debido al inminente agotamiento del petróleo, y en la preservación del ambiente. Es importante señalar, que tanto la biotecnología ambiental como la energética, durante el presente siglo, utilizan como una de sus principales herramientas la genómica, que se encarga del estudio y expresión de los genes dentro de un organismo, lo que permite dirigir procesos más eficientes en las biotransformaciones, en la bioproducción, en los métodos de descontaminación ambiental y, por supuesto, en la generación de bioenergéticos. Para que la investigación y desarrollo de las áreas previamente citadas sea posible, se requiere de energía. En general, toda actividad que realiza actualmente el hombre y que forma parte de su vida cotidiana y bienestar, está estrechamente relacionada con su disponibilidad. Dicho lo anterior, es posible deducir que el desarrollo de un país y de cualquier proceso tecnológico depende de la producción y aprovechamiento de los energéticos. Pero, ¿Cuál es su relación con la biotecnología? ¿Cuáles son las materias primas que se emplean? ¿Qué procesos están involucrados? ¿Cuáles son las ecuaciones utilizadas en el diseño de un biorreactor con fines de producción de bioenergéticos? Estas preguntas serán respondidas a través del desarrollo del contenido de esta unidad, la cual a través del análisis de su contenido, la participación en foros y la resolución de las actividades, te permitirá comprender el apasionante mundo de los biocombustibles,
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entendiendo por estos, todo tipo de combustible renovable (sólido, líquido o gas), que provenga de la biomasa (materia orgánica). Es importante destacar que el estudio de cinética de biodegradación y/o producción de biogás, el establecimiento de las condiciones óptimas del proceso, el correcto dimensionado y elección de los materiales de construcción de los biodigestores, así como, la propuesta de mantenimiento de estos sistemas y su implementación, es decir, el planteamiento teórico-experimental y puesta en marcha de los biorreactores anaerobio semicontinuos para su uso con fines de aprovechamiento es una de las tareas del biotecnologo; razón por la cual debes conocer muy bien los elementos, características y diseño de éstos, por ello en esta unidad revisarás en que consiste la biodigestión anaerobia y cuál es su función en la elaboración de biocombustibles, asimismo, revisarás cuales son los componentes y materiales utilizados para el diseño de una planta de biodigestion. En otras palabras, a través del estudio del contenido del tema y del desarrollo de las actividades, tendrás las herramientas para comprender los fundamentos teóricos de la biodigestión anaerobia, que serán aplicados en el análisis de los parámetros y variables de diseño de los componentes del sistema.
Propósitos de la unidad
El estudio de esta unidad te permitirá:
Comprender las características de la biodigestión anaerobia, los componentes, materiales y parámetros de diseño de una planta de biogás. Analizar el proceso de fermentación a partir de azúcares libres, compuestos amiláceos y hemicelulósicos; así como los componentes, materiales y parámetros de diseño de un fermentador. Universidad Abierta y a Distancia de México
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Analizar el mecanismo de producción de biohidrógeno y los parámetros de diseño de un biorreactor para su obtención a partir de biofotólisis indirecta. Estudiar el bioproceso para la generación de microalgas y, los componentes, materiales y parámetros de diseño de un fotobiorreactor para su cultivo.
Competencia específica
Analizar las características de biorreactores específicos, para definir sus parámetros de diseño específicos, mediante ecuaciones matemáticas.
2.1. Biorreactores anaerobios semicontinuos Para iniciar con el tema es importante recordar que la generación de bioenergéticos, es una de las áreas en desarrollo y de mayor impacto dentro de la Biotecnología en la actualidad; esto debido a que el petróleo es un recurso no renovable (se produce en un lapso largo de tiempo o bien, se consume más rápido de lo que en la naturaleza puede regenerarse) y a que existen efectos ambientales y socioeconómicos adversos generados por el uso desmedido de dicho hidrocarburo y sus derivados; además de la crisis energética mundial resultante de su agotamiento. Esto ha derivado en la búsqueda de alternativas que permitan la creación y desarrollo de procesos factibles y sustentables que generen combustibles alternos que sean capaces de remplazar, en cierta medida el uso desmedido del petróleo y que a su vez sean amables con el medio ambiente.
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Ejemplo de ello, es la producción de biogás el cual se genera mediante la degradación anaerobia de la biomasa en biorreactores anaerobios semicontinuos, también conocidos como biodigestores, que pueden emplear como sustrato, desechos provenientes de las actividades: agrícola, pecuaria, silvícola, acuacultura, algacultura, residuos de pesca, domésticos, comerciales, industriales, entre otros (Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión, 2008). Un biorreactor anaerobio semicontinuo se caracteriza por poseer una alimentación continua de sustrato (materia prima), pero ninguna salida de producto hasta transcurrido el tiempo de retención hidráulica (tiempo medio en que la carga permanece en el biodigestor). Una vez concluido este periodo, recibe una carga diaria de materia prima y aporta un efluente (biol o bioabono) de la misma cantidad. Es decir, a través de estos dispositivos y empleando compuestos orgánicos degradables como materia prima, se genera un biocarburante gaseoso (biogás) aprovechado en motores de combustión interna, para la producción de energía eléctrica, para calefacción o para combustión directa en aparatos destinados al uso de gas LP; contribuyendo a disminuir la dependencia del uso de los combustibles fósiles y a mitigar el impacto de las emisiones provenientes de su quema. Para conocer bien cómo se lleva a cabo este proceso se iniciará explicando que es la biodigestión anaerobia y qué papel juega en la producción de biocarburantes.
2.1.1. Biodigestión anaerobia La biodigestión anaerobia es un proceso biológico efectuado en ausencia de oxígeno, donde los sustratos (materia prima) son convertidos en biogás por un consorcio de microorganismos. Como subproducto de este proceso, se obtiene un fertilizante o bioabono, también conocido como biol, el cual es un efluente estabilizado (Chynoweth et al., 2001). El biogás es una mezcla formada principalmente de metano (55-70% CH4) y dióxido de carbono (30-45% CO2). Puede tener otros componentes minoritarios tales como: sulfuro de hidrógeno (0.1% H2S), nitrógeno (0.5-3% N2), hidrógeno (1-3% H2), oxígeno (0-1% O2), vapor de agua, entre otros. La composición del biogás dependerá de la materia prima y del proceso de biodigestión empleado para este fin. Los sustratos o materias primas que se emplean en el proceso de biodigestión anaerobia, se obtienen de residuos de distintos orígenes. En la siguiente figura se muestran algunos de estos sustratos.
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Animal: estiércol Vegetal: bagazo de frutas y restos de cosechas Humano: excretas, restos de alimentos Agroalimentarios Forestales: restos de poda Cultivos acuáticos: plagas acuáticas y algas
Figura 1. Fuente: Adaptado de Solar.com, s.f.; El diario, 2013 y Energías renovadas, 2013.
Por ejemplo, en la siguiente imagen se muestra el proceso por el cual, el estiércol de animales y restos de alimentos se mezclan con agua en el registro (sistema de entrada del sustrato) de un biodigestor, que al ingresar a la cámara de digestión, por acción de las bacterias anaerobias, se descomponen transformándose en biogás y bioabono.
Figura 2. Producción de biogás. Fuente: Biodisol, 2010.
La biodigestión anaerobia se realiza en 4 etapas consecutivas bien diferenciadas, a través de las cuales, los componentes de peso molecular elevado de la materia prima, se llevan a unidades pequeñas solubles por acción de diversas poblaciones de microorganismos, de tal forma que en la última etapa del proceso, las bacterias Universidad Abierta y a Distancia de México
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metanogénicas generan biogás. La velocidad general del proceso de biodigestión anaerobia, depende en gran medida de la composición del sustrato. En aquellos sistemas en los que los componentes del sustrato son solubles, la etapa limitante del proceso suele ser la metanogénesis, que dependerá de la ausencia total de oxígeno; en estos casos, la biodigestión suele tardar unos cuantos días. La hidrólisis es la etapa limitante de la digestión anaerobia cuando el sustrato está compuesto por partículas de gran tamaño, ya que la velocidad de la reacción dependerá de la superficie de contacto, el proceso en estos casos, suele realizarse en varias semanas. Existen diversos mecanismos o pretratamientos, que pueden ayudar a aumentar la velocidad del proceso de biodigestión anaerobia, que permiten aumentar la solubilidad o disminuir el tamaño de partícula de la materia prima, tales como:
Trituración mecánica: molienda para reducción del tamaño de partícula. Ultrasonido: disminución del tamaño de partícula e incremento de la solubilidad por aplicación de ondas sonoras a la materia prima. Tratamiento térmico: incremento de la solubilidad de los componentes del sustrato por aumento de la temperatura. Combinación de altas temperaturas y presiones: incremento de la solubilidad de los componentes del sustrato por aumento de la temperatura.
En el siguiente esquema puedes apreciar cada una de estas etapas de manera gráfica.
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Materia orgánica compleja
Proteínas
Carbohidratos
Lípidos
1. HIDRÓLISIS
Aminoácidos, azúcares
Ácidos grasos, alcoholes
Productos intermedios Ácido propiónico, butírico, valérico, etc. OXIDACIÓN ANAEROBICA
2. FERMENTACIÓN
3. ACETOGÉNESIS Acético
Hidrógeno, CO2
4. METANOGÉNESIS
Metano, CO2 Figura 3. Etapas de la biodigestión anaerobia. Fuente: Varnero, M. T., 2011.
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A continuación se describe cada una de las etapas de la biodigestión anaerobia:
Etapa 4. Metanogénica Los compuestos generados en la etapa anterior, son Los compuestos de la transformados en etapa anterior, se metano y dióxido de convierten en carbono, acetatos e hidrógeno, principalmente a través de bacterias mediante acetogénicas. microorganismos Estas bacterias sólo anaeróbicos estrictos pueden sobrevivir en (Methanobacterium, simbiosis con el Methanospirillum género que consume hungatii, y hidrógeno. Todos los Methanosarcina). microorganismos acetogénicos tienen un período de regeneración de hasta 84 h. Las bacterias acetogénicas reductoras de sulfato son capaces de degradar lactato y etanol, pero no de asimilar ácidos grasos y compuestos aromáticos.
Etapa 3. Acetogénica Etapa 2. Fermentativa o acidogénica Etapa 1. Hidrósilis La biomasa compleja de gran tamaño, formada por proteínas, carbohidratos y lípidos, se fracciona por acción de microorganismos hidrolíticos (Bacteroides, Lactobacillus, Propioni- bacterium, Sphingomonas, Sporobacterium, Megasphaera y Bifidobacterium), en compuestos solubles de menor peso molecular (aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y alcoholes).
Los compuestos orgánicos solubles resultantes de la etapa anterior, a través de bacterias facultativas (cuyos procesos metabólicos se desarrollan en presencia o ausencia de oxígeno) y anaerobias obligadas (Clostridium, Paenibacillus, Ruminococcu y CytophagaFlavobacteriumBacteroides), generan etanol, ácidos grasos volátiles, algunos compuestos aromáticos, ácido propiónico, butírico y valérico. En esta etapa se elimina cualquier traza de oxígeno presente en el sistema.
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Figura 4. Imagen de Lactobacillus. Fuente: Salvador, L., 2012.
De acuerdo a Carillo (2003), en muchos ambientes anóxicos los precursores inmediatos del CH4 son el H2 y el CO2 que se generan por las actividades de los organismos fermentadores. En el proceso general de producción de metano a partir de la fermentación de materias orgánicas complejas (por ejemplo, los polisacáridos), intervienen hasta cinco grupos fisiológicos de procariotas. Las bacterias celulolíticas rompen la molécula de celulosa, de peso molecular elevado, en celobiosa y glucosa libre. Por acción de los fermentadores primarios, la glucosa origina ácidos orgánicos, alcoholes H2 y CO2. Todo el H2 producido es consumido inmediatamente por las bacterias metanogénicas, las acetogénicas o las reductoras de sulfato si este se halla en alta concentración. Además, el acetato puede ser convertido en metano por otros metanógenos. Siguiendo con Carrillo (2003), los organismos clave en la conversión de compuestos orgánicos complejos a CH4 son los fermentadores secundarios, especialmente las bacterias oxidantes de ácidos grasos o alcoholes que producen H2, pues utilizan estos compuestos como fuente de energía en cultivos mixtos con un consumidor de H2 a través de una relación sintrófica (sintrófica = comiendo juntos). Existen bacterias metanotróficas, que consumen CH4, las cuales son indeseables en un sistema de biodigestión anaerobia. La mayoría son aerobias, es decir, utilizan el oxígeno para degradar el metano y obtener su energía. Sus productos metabólicos son el agua y el dióxido de carbono. Los metanotróficos aeróbicos degradan aproximadamente el 17% de todo el metano en la atmósfera. Además de estos, existe otro grupo, que es capaz de consumir metano, sin necesidad de oxígeno. Estos se encuentran, en su mayoría, en los sedimentos marinos (Varnero, 2011).
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Figura 5. Imagen de bacteria metanotrófica. Fuente: Microbiology, s.f.
La producción de biogás, a través de los microorganismos y etapas previamente descritas, se efectúa en sistemas especializados denominados biodigestores o biorreactores anaerobios, los cuales son de gran relevancia en zonas rurales, ya que se aprovechan los desechos agropecuarios como materias primas para la obtención de bioenergía. Por ejemplo, en las granjas de ganado bovino y/o porcino, o bien, en los mataderos municipales, donde se generan grandes cantidades de purines (mezcla de excrementos, alimento y agua empleada para el lavado de los establos), se pueden implementar sistemas de biodigestión anaerobia para producción de biogás, que pueda autoabastecer las necesidades energéticas del establecimiento. Los materiales de construcción y los componentes principales de un biodigestor, serán discutidos en el próximo subtema. Para seguir documentándote y comprendiendo el subtema, es recomendable que realices la lectura del documento Situación y potencial de generación de biogás. Estudio Técnico PER 20112020, de Pascual, A., Ruiz, B., Gómez, P., Flotats, X. y Fernández, B. (2011); en las páginas 26 a 35 donde podrás encontrar la descripción de las fases de la biodigestión anaerobia y las tecnologías más importantes asociadas al aprovechamiento de residuos agroindustriales. El documento se encuentra disponible en la sección de Material de apoyo.
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2.1.2. Componentes y materiales de un biorreactor anaerobio Tal como se comentó en el subtema anterior, el proceso de biodigestión anaerobia se lleva a cabo en dispositivos especiales denominados biorreactores anaerobios o biodigestores, cuya finalidad es proporcionar a las poblaciones de microorganismos, las condiciones adecuadas de: nutrientes, pH, concentración de oxígeno, humedad, entre otras; que les permitan el desarrollo de sus actividades metabólicas con la consecuente producción de biogás, durante todas las etapas. Dichos dispositivos son cámaras herméticas constituidas, principalmente, por: a) Reactor, cámara de fermentación o cámara de digestión. Cuerpo del dispositivo, donde se lleva a cabo la degradación anaerobia de la materia prima. b) Entrada del afluente, tubo de entrada de la materia orgánica o registro de entrada. área por donde se alimenta el biodigestor. Generalmente, se ubica en la parte superior del dispositivo. c) Salida del efluente o registro de salida. Lugar por donde se recupera el biol. Se ubica en la parte inferior del dispositivo. d) Cúpula o cámara de depósito de gas. Área del biorreactor donde se acumula el biogás generado. e) Conducto de gas. Medio por el que se transporta el gas para ser usado. f)
Válvulas de seguridad, medidor de presión (manómetro), reguladores de presión, quemador de gases sobrantes (antorcha).
g) Sistema de calentamiento. Proporciona a los microorganismos la temperatura óptima para su desarrollo. h) Sistema de agitación. Permite la homogeneización del medio. i)
Filtros para purificación del biogás. Eliminan el CO2, H2S, vapor de agua, N2 y O2 del biogás, lo que permite obtener biometano.
j)
Sistema de muestreo. Permite la toma de alícuotas para el monitoreo de parámetros como: pH, sólidos totales, sólidos volátiles, DQO (Demanda Química de Oxígeno), DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno), oxígeno disuelto, etc.
k) Sistema de control de pH. Permite mantener el nivel adecuado de pH, a través Universidad Abierta y a Distancia de México
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de la adición de ácidos o álcalis. En el siguiente esquema se observan las principales partes de un biodigestor:
Figura 6. Partes de un biodigestor. Fuentes: The Enciclopedia of Alternative Energy and Sustainable Living, s.f.
Según Chungandro y Manitio (2010), los biorreactores anaerobios, se pueden clasificar de acuerdo al régimen de carga y la dirección del flujo en el interior del reactor. Con base en el régimen de carga, es decir, la alimentación que recibe el biorreactor anaerobio, estos sistemas pueden ser: A) Biodigestores de flujo continuo: suponen un flujo de alimentación y salida uniformes.
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Figura 7. Biodigestor de flujo continuo. Fuente Castillo, A. 2011.
B) Biodigestores de flujo semicontinuo: se caracterizan por poseer entrada continua de sustrato, pero ninguna salida hasta transcurrido el tiempo de retención. Una vez concluido este periodo, reciben una carga diaria de materia prima y aportan un efluente (biol) de la misma cantidad. C) Biodigestores de flujo discontinuo o por lote: no presentan corrientes de entrada o salida. El reactor se desaloja y se vuelve a cargar, una vez transcurrido el tiempo de retención. D) Biodigestores de dos etapas: se basan en el hecho de que los microorganismos involucrados para la fermentación requieren de diferentes pHs y tiempos de retención. De esta manera, en el primer reactor ocurre la hidrólisis y acidogénesis de la materia orgánica inicial, mientras que en el segundo, se lleva a cabo la acetogénesis y metanogénesis del material acidificado. De acuerdo a la dirección del flujo, los biorreactores anaerobios se clasifican en: A) Biodigestores de flujo pistón: este tipo de biodigestor se construye bajo tierra, su sección es cuadrada o en forma de “V”, la relación largo/ancho varía entre 5:1 hasta 8:1. Está provisto de paredes divisorias ranuradas cuyo efecto es que el material fluya sinusoidalmente, de esta manera, se evita que el sustrato salga antes de terminar el tiempo de retención.
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Figura 8. Biodigestor de flujo pistón. Fuente: basado en Targanides, P. 1962.
A) Biodigestores de flujo horizontal o plug flow: generalmente son tubulares tipo salchicha. Se alimentan por un extremo de modo que la carga diaria, desplaza a la anterior. Se construyen en PET. El gas se acumula en la parte superior de la bolsa, ocupando aproximadamente el 25% del volumen total del biorreactor.
Figura 9. Biodigestor de flujo horizontal o plug flow. Fuente: Appropedia, 2012.
B) Biodigestores de flujo ascendente: la característica principal de este digestor es el proceso de carga, ya que la materia orgánica a procesar se ingresa en el fondo del recipiente por medio de canales y fluye hacia la parte superior por efecto de la densidad de los sólidos.
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Figura 10. Biodigestor de flujo ascendente. Fuente: Mírez, J., 2011.
Finalmente, de acuerdo al dispositivo de almacenamiento del biogás, los biodigestores pueden ser: A) Biodigestores tipo Chino (cúpula fija): son biodigestores de campana fija de flujo semicontinuo. La forma de construcción consiste en una bóveda esférica, con el gasómetro fijo e inmóvil. El biogás es almacenado en la parte superior del digestor, aumentando la presión, de esta manera desplaza el material de fermentación hacia el tanque de compensación.
Figura 11. Biodigestor tipo chino. Fuente: ISIS, 2006.
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B) Biodigestores tipo Hindú (cúpula móvil): son digestores de campana flotante de flujo semicontinuo, horizontales o verticales. La cantidad de carga diaria y el volumen del digestor están en función del tiempo de retención y de la disponibilidad de sustrato. Se caracterizan por tener, en la parte superior, una campana móvil (que puede ser removida por sistemas mecánicos), que sube o baja, dependiendo de la producción y consumo del biogás. La cúpula se puede construir en ferrocemento, fibra de vidrio, geomembrana, PVC, entre otros.
Figura 12. Biodigestor tipo hindú. Fuente: FAO, 1986.
Por otro lado, existen diversos materiales para construir biodigestores; por ejemplo, se pueden construir en ladrillo, vidrio, de mampostería, de hormigón o de diversos polímeros (plásticos); su posición respecto a la superficie terrestre puede ser:
Superficial: tanto la cámara de digestión como la cúpula de gas, se encuentran sobre el suelo.
Figura 13. Biodigestor superficial. Fuente: Blog:Tratamiento de aguas residuales, 2010.
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Semienterrados: una parte del dispositivo se encuentra inmersa en el suelo.
Figura 14. Biodigestor semienterrado. Fuente: Taringa, s.f.
Subterráneos: tanto la cámara de digestión como la cúpula de gas están enterrados en el suelo.
Figura 15. Biodigestor subterráneo. Fuente: Planeta Tlalpan, 2009.
La elección del material, componentes y tipo de biorreactor anaerobio que se empleará en un determinado proceso de biodigestión, depende de diversos factores: la cantidad de biocarburante gaseoso a producir, de la disponibilidad de materia prima, del recurso económico necesario para la implementación del sistema, entre otros. Por ejemplo, si se desea producir biogás a escala laboratorio, el biodigestor puede tener las siguientes características:
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Material: Vidrio o acero inoxidable. Componentes: Sistema de alimentación de sustrato, sistema de muestreo de biogás, cámara de digestión, sistema de acumulación de biogás, sistema de control de temperatura y pH, sistema de agitación, sensores de pH y temperatura, entre otros. Tipo: Superficial, de cúpula fija. Régimen: Discontinuo (lote) o semicontinuo. Biomasa: Cualquier fuente, con o sin pretratamiento, se requiere poca cantidad. Temperatura: Regulada por sistema de control de temperatura.
Figura 16. Biodigestor anaerobio de laboratorio. Fuente: Edibon international, 2013.
Para la producción de biogás a mediana escala (de uso rural), el biorreactor anaerobio debe cumplir con: Material: plástico o geomembrana. Componentes: Registro de entrada de materia prima, cámara de digestión, cúpula de gas, filtro de limpieza de biogás, sistema de salida de gas, medidor de presión, válvulas de seguridad, registro de salida de biol, entre otros. Tipo: Semienterrado o subterráneo, cúpula fija. Régimen: Semicontinuo. Biomasa: Cualquier fuente, en grandes cantidades. Temperatura: Dependiente de la temperatura de la zona.
Figura 17. Biodigestor de uso rural. Fuente: www.ruralcostarica.com, s.f.
Finalmente, el diseño de un biorreactor anaerobio, depende de factores tales como: el tipo y disponibilidad de la biomasa (sustrato); las características físicas, químicas y biológicas de la materia prima; y los aspectos geográficos de la zona (SEMARNAT, 2010), mismos que son discutidos en el próximo subtema, y que son indispensables en la estimación de las dimensiones del biodigestor.
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2.1.3. Parámetros de diseño de una planta de biodigestión anaerobia Tal como se estudió en los subtemas anteriores, la producción de metano mediante digestión anaerobia, se efectúa en biorreactores específicos denominados biodigestores. Esta tecnología se aplica a pequeña, mediana y gran escala; siendo en las zonas rurales donde tiene mayor impacto, ya que se aprovechan los residuos de las actividades agrícolas y ganaderas como materias primas del proceso. Para el cálculo de las dimensiones de los biorreactores anaerobios se consideran los siguientes parámetros, que se clasifican en: A) Parámetros de la materia prima. Están relacionados con las características físicas y químicas de la biomasa, tales como: porcentaje de carbono, porcentaje de nitrógeno, relación carbono/nitrógeno, pH, porcentaje de sólidos totales, humedad, porcentaje de sólidos volátiles, entre otros. B) Parámetros ambientales de la zona. Se relacionan con las condiciones climáticas y geográficas en las que se implementará el biodigestor. La temperatura la variable más importante de este rubro, que se encuentra estrechamente relacionada con el tiempo de retención hidráulica del sustrato. C) Parámetros de diseño. Involucran factores relacionados con las dimensiones del reactor, por ejemplo: disponibilidad de la materia prima, volumen de la cámara de digestión, volumen de la cúpula de gas, volumen de carga diaria, entre otros. La determinación de los parámetros previamente mencionados, forma parte del proceso de diseño de un biorreactor anaerobio, el cual se realiza de acuerdo a las etapas indicadas en la siguiente lista vertical:
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• Estimación de la disponibilidad de la materia prima Etapa 1
• Caracterización fisicoquímica de la materia prima Etapa 2
•Determinación de las condiciones ambientales y geográficas de la zona Etapa 3
•Estimación de las dimensiones del biodigestor Etapa 4
Proceso general de diseño de un biodigestor. A continuación se detallan cada una de las etapas del proceso de diseño: Primera etapa: Estimación de la disponibilidad de la materia prima El primer factor a considerar en el diseño de un sistema de biodigestión anaerobia, es el cálculo de la disponibilidad de materias primas, es decir, la biomasa o sustrato con la que se cuenta para la producción de biogás. La siguiente tabla muestra la producción diaria promedio de estiércol a nivel mundial, para posibles fuentes de obtención de biogás. Tabla 1. Producción de estiércol Productor Cerdo Vaca Caballo Oveja Cabra Ave Humano adulto
Peso (kg) 100 500 500 15 15 1.5 50
Producción diaria de estiércol (kg) 4 40 35 1.5 0.6 0.1 0.3
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Humano infantil 50 Fuente: Guevara, 1996.
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De manera general, en el caso de los residuos pecuarios (aquellos que provienen de la explotación ganadera), se considera que cuando el animal no permanece estabulado (no se mantiene dentro de un establo), la recuperación del estiércol generado es del 25%. El cálculo de la disponibilidad de materias primas es importante, ya que está directamente relacionado con las dimensiones del biorreactor. La primera etapa de diseño de un biodigestor se resume en el siguiente diagrama, donde MP es la materia prima.
Inicio de diseño
Determinar cantidad de MP disponible
Inicio de segunda etapa de diseño
Diagrama de proceso de primera etapa de diseño de un biodigestor. Segunda etapa: Caracterización de la materia prima En esta etapa se miden los parámetros físico-químicos de la biomasa empleada como sustrato. Su descripción e importancia se mencionan a continuación: A) Relación carbono/nitrógeno (C/N). Indica la proporción existente entre el contenido de carbono y nitrógeno de las materias primas. Este parámetro es importante, ya que en los microorganismos involucrados en la generación de biogás, el carbono constituye la fuente de energía; mientas que el nitrógeno se usa para la formación de nuevas células. El rango óptimo de esta relación oscila entre 30:1 y 20:1; puede calcularse mediante la expresión: 𝐶/𝑁 =
𝐶1 𝑄1 + 𝐶2 𝑄2 +. . . 𝐶𝑛 𝑄𝑛 𝑁1 𝑄1 + 𝑁2 𝑄2 +. . . 𝑁𝑛 𝑄𝑛
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Donde: C/N=relación carbono/nitrógeno C=porcentaje de carbono contenido en la materia prima N=porcentaje de nitrógeno contenido en la materia prima Q=masa de la materia prima; kg A continuación se observan los porcentajes de nitrógeno y carbono para diversos sustratos (materias primas) empleados en el proceso de biodigestión. Estos valores permiten el cálculo de la relación C/N. Tabla 2. % de nitrógeno y % de carbono para diversos sustratos Material
%Nitrógeno Ave 6.3 Vaca 1.7 Puerco 3.8 Basura de mercado 3.0 Papel periódico 0.1 Desechos agrícolas 1.2 Humano 6.0 Orina 18.0 Caballo 0.5 Oveja 0.4 Fuente: Olaya y González, 2009.
%Carbono 94.5 30.8 76.0 54.7 5.0 90.0 50.0 14.0 43.5 40.5
B) Sólidos totales (ST). Son la fracción sólida de la biomasa, es decir, aquella resultante tras el proceso de eliminación de agua (humedad). Este factor es determinante en la materia prima, ya que indica la cantidad de sustrato a cargar en el digestor, de tal manera que contenga entre 5-10% de sólidos, rango requerido para permitir la movilidad adecuada de las bacterias metanogénicas. Tabla 3. Contenido de humedad, % sólidos totales y % sólidos volátiles para diversos sustratos Material Ave Vaca Puerco Basura de mercado
%Humedad 65.0 86.0 87.0 1.0
%ST 35.0 14.0 13.0 99.0
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%SV 65.0 80.0 85.0 77.0
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Papel periódico 7.0 Desechos agrícolas 7.2 Humano 73.0 Orina 94.0 Caballo 81.0 Oveja 68.0 Fuente: Olaya y González, 2009.
93.0 37.0 27.0 6.0 19.0 32.0
97.1 63.0 92.0 75.0 65.2 67.4
En la tabla anterior, puedes observar los %ST para diferentes materias primas. De acuerdo con la información de la tabla puede concluirse, que la basura de mercado y los residuos de papel periódico, requerirán de un volumen elevado de agua para alcanzar el rango óptimo de dilución, no así, en el estiércol de vaca, puerco y caballo. C) Porcentaje de sólidos volátiles (%SV). Indica la parte de los sólidos totales del material orgánico que pasa a la fase gaseosa. Este parámetro es de importancia, ya que permite estimar la cantidad de biogás que se generará en el reactor, es decir, se considera que el volumen de biogás producido (m3) dependerá de la masa (kg) de SV. En la tabla anterior, puedes observar los %SV para diferentes materias primas. D) pH. El valor óptimo de pH oscila entre 6.5 y 7.5, rango en que se efectúan las cuatros etapas del proceso de biodigestión anaerobia. La estimación de los parámetros previamente descritos es fundamental, ya que permite diagnosticar si la materia prima elegida, para la producción de biogás, cumple con las características mínimas necesarias de calidad que garanticen el correcto desarrollo de los procesos metabólicos de los microorganismos involucrados; de lo contrario, será necesario realizar algún pretratamiento que permita el ajuste de dichas variables. Por ejemplo, para el ajuste del pH, se recomienda agregar álcalis o ácidos hasta que el sustrato se encuentre dentro del rango permitido; para que la relación C/N sea adecuada, se deben adicionar fuentes de carbono o nitrógeno según sea el caso. La segunda etapa de diseño de un biodigestor se resume en el siguiente diagrama:
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Inicio de segunda etapa de diseño
Calcular relación C/N
¿Cumpl e relación
NO
Ajustar relación C/N
SI Determinar %ST
Determinar %SV
Determinar pH
¿Cumpl e pH?
NO
Ajustar pH
SI
Inicio de tercera etapa de diseño
Diagrama de proceso de segunda etapa de diseño de un biodigestor.
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Tercera etapa: Determinación de las condiciones ambientales y geográficas de la zona Una vez caracterizada la materia prima, se determinan las condiciones climáticas de la zona donde se implementará el biodigestor. Dado que la biodigestión anaerobia es fuertemente dependiente de la temperatura, este parámetro debe ser medido a través de estaciones meteorológicas portátiles, por un periodo mínimo de un año; o bien, se puede recurrir a reportes del clima que muestran el histórico de la variación de este parámetro. El conocimiento de la temperatura media ambiente, permite estimar el tiempo de retención hidráulica (TRH), que es el tiempo medio que debe permanecer la carga (sustrato) en el digestor, de tal manera que se logre la producción eficiente de biogás, es decir, se deben considerar rangos óptimos que permitan el desarrollo de las actividades metabólicas de los microorganismos involucrados en el proceso. A continuación se muestra una tabla que muestra dichos rangos para las bacterias psicrófilas, mesófilas y termófilas; así como los TRH asociados a las mismas. Tabla 4. Rangos de temperatura para microorganismos psicrófilos, mesófilos y termófilos Microorganismos Psicrófilos Mesófilos
Mínimo 4-10°C 1520°C Termófilos 2545°C Fuente: Varnero, 2011.
Óptimo 15-18°C 25-35°C
Máximo 20-25°C 35-45°C
Tiempo de digestión/TRH Sobre 100 días 30-60 días
50-60°C
75-80°C
10-15 días
Además, los TRH están en función del clima de la región donde se instalará el biodigestor. Para regiones de clima tropical con regiones planas, se permiten TRH de 30-40 días; para las regiones cálidas con inviernos fríos cortos de 40-60 días; mientras que en zonas de clima temperado con inviernos fríos se requieren de 60-90 días. La tercera etapa de diseño de un biodigestor se resume en el siguiente diagrama:
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Inicio de tercera etapa de diseĂąo
Determinar temperatura de la zona
Determinar TRH
Inicio de cuarta etapa de diseĂąo
Diagrama de proceso de tercera etapa de diseĂąo de un biodigestor. Cuarta etapa: EstimaciĂłn de las dimensiones del biodigestor Una vez que se ha reunido la informaciĂłn respecto a: la disponibilidad de la materia prima, la composiciĂłn fĂsico-quĂmica del sustrato, y las condiciones climĂĄticas de la zona donde se implementarĂĄ el biodigestor; se dispone de los medios para efectuar el cĂĄlculo de las dimensiones del biodigestor, que incluye los siguientes parĂĄmetros: A) CĂĄlculo del volumen de materia prima (Vexcreta). Permite estimar el volumen que ocupa la biomasa disponible para el proceso de biodigestiĂłn (determinada en la primera etapa del proceso de diseĂąo). Para ello, se considera su densidad (Ď excreta), medida experimentalmente, es decir: đ?œŒđ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž =
đ?‘€đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž
Donde: Ď =densidad de la materia prima (excreta); kg/m3 Mexcreta=cantidad de materia prima disponible (excreta); kg Vexcreta=volumen de materia prima disponible (excreta); m3
B) CĂĄlculo de la cantidad de agua adicionada por kilogramo de excreta fresca (Magua). Permite estimar la cantidad de agua que es necesario incorporar a la
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materia prima disponible con la finalidad de alcanzar una dilución del 5 al 10% de sólidos. Dicho rango de dilución permite la movilidad de las bacterias metanogénicas, con la consecuente producción eficiente de biogás. Se calcula mediante la expresión: %𝑆𝑇 (𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎) =
(1 𝑘𝑔 𝑒𝑥𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎)(%𝑆𝑇 𝑒𝑥𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎) 1 𝑘𝑔 𝑒𝑥𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 + 𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎
Donde: Magua=cantidad de agua; kg C) Cálculo del volumen de agua (Vagua). Permite estimar el volumen que ocupa el agua a incorporar al sistema con la finalidad de alcanzar una dilución del 5 al 10%. Para ello, se considera que densidad del agua (ρagua) es de 1,000 kg/m3, es decir: 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 =
𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎
Donde: ρ=densidad del agua; 1,000 kg/m3 Vagua=volumen de agua; m3 D) Cálculo del volumen de la cámara de digestión (Vcámara). Permite estimar el volumen de la zona del biorreactor donde se llevará a cabo el proceso de digestión anaerobia, de acuerdo a la siguiente ecuación: 𝑉𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 = (𝑉𝑒𝑥𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 + 𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 )(𝑇𝑅𝐻) Donde: Vcámara=volumen de la cámara de digestión; m3 TRH=tiempo de retención hidráulica E) Cálculo del volumen total del biodigestor (Vtotal). Permite estimar el volumen total del biorreactor, que incluye tanto la cámara de digestión, como la cúpula de gas. Para esta determinación se considera, generalmente, que el 75% del volumen total del digestor, corresponde a la cámara de digestión, por lo tanto: 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =
𝑉𝑐𝑎𝑚𝑎𝑟𝑎 0.75
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Donde: Vtotal=volumen total del digestor; m3
F) CĂĄlculo del volumen de la cĂşpula de gas (VcĂşpula). Constituye el 25% del volumen total del digestor. Puede determinarse mediante la siguiente ecuaciĂłn: đ?‘‰đ?‘?Ăşđ?‘?đ?‘˘đ?‘™đ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™ − đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž Donde: VcĂşpula=volumen de la cĂşpula de gas; m3 G) CĂĄlculo del volumen de carga diaria (Vcarga). Para el caso de biorreactores anaerobios semicontinuos, se establece el volumen de carga diaria, que indica la cantidad de sustrato que hay que incorporar en el biorreactor, una vez transcurrido el TRH. Dicho volumen, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuaciĂłn: đ?‘‰đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž =
đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘‡đ?‘…đ??ť
Donde: Vcarga=volumen de carga diaria; m3/dĂa A travĂŠs de las ecuaciones previamente mencionadas, se concluye el cĂĄlculo del volumen total del biorreactor, considerando parĂĄmetros dependientes de la temperatura y del TRH. La cuarta etapa de diseĂąo de un biodigestor se resume en el siguiente diagrama:
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Inicio de cuarta etapa de diseño
Calcular Vexcreta
Calcular Magua
Calcular Vagua
Calcular Vcámara
Calcular Vtotal
Calcular Vcúpula
¿Es un biodigestor semicontinuo
SI
Calcular Vcarga
NO
NO
¿Es un biodigestor discontinuo?
SI Fin de diseño Diagrama de proceso de cuarta etapa de diseño de un biodigestor. Universidad Abierta y a Distancia de México
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Otras estimaciones pertinentes Algunas determinaciones permiten predecir, al Biotecnólogo, la factibilidad del proceso de obtención de biogás a partir de una biodigestión anaerobia, tales como: A) Estimación de cantidad de biogás y CH4 producidos. Estas cantidades se calculan en función del %SV contenidos en la materia prima. La siguiente tabla muestra la producción estimada de biogas y CH4, por kilogramo de SV contenidos en la materia prima. Tabla 5. Producción estimada de biogás para diversas materias primas m3 de biogás/kg de SV Ave 0.3111 Vaca 0.1543 Puerco 0.3234 Basura de cocina 0.2110 Residuos de papel 0.2178 Desechos agrícolas 0.2999 Caballo 0.3451 Humano 0.4320 Oveja 0.3120 Fuente: Olaya y González, 2009. Fuente
% CH4 59.8 65.2 65.0 61.9 67.1 60.0 55.0 63.0 57.2
B) Eficiencia termoeléctrica del biogás. El CH4 es el componente energético útil del biogás, de su contenido depende el valor combustible del biocarburante. Se considera que 1 m3 CH4=1.8 kWh. Para ilustrar el diseño de un biorreactor anaerobio semicontinuo, se propone el siguiente ejemplo: Caso de estudio En una granja porcícola se genera estiércol en grandes cantidades, lo que supone problemas ambientales, sociales y económicos, debido a que dichos residuos se disponen en un terreno aledaño al establecimiento, lo que ha producido: a) Malos olores, presencia de microorganismos patógenos en la atmósfera y producción de metano (no aprovechado) que incide en el efecto invernadero.
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b) Generación de lixiviados que contaminan el suelo y las aguas superficiales y subterráneas de la región. c) Proliferación de plagas. d) Problemas de salud en personas que habitan en las cercanías de la granja. e) Gastos para disposición de excretas en terreno aledaño. En este contexto, se ha buscado una alternativa que permita la disminución del impacto de las actividades de la granja. Se ha propuesto la implementación de un sistema de biodigestión anaerobia, que trae consigo las siguientes ventajas: a) Reducción de costos de consumo eléctrico debido al autoabastecimiento derivado de la transformación del biogás generado en energía eléctrica. b) Reducción de costos de consumo de gas LP con fines de calefacción. c) Descarga de agua de mejor calidad y disminución de la diseminación de plagas. d) Disminución de olores y emisiones de metano a la atmósfera, con compensación económica al reducir las emisiones de metano a la atmósfera. Para el diseñado del biodigestor anaerobio se consideró que: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Régimen del biorreactor: semicontinuo % ST de la carga: 5% Clima de la región: tropical con regiones planas Temperatura media anual: 35°C Porcinos disponibles: 20 porcinos estabulados Excreta generada por porcino: 4 kg de excreta/100 kg porcino Masa aproximada por porcino: 68 kg/cerdo Las análisis realizados a la materia prima indican que: ρexcreta=700 kg/m3 %C=76% %N=3.8% %ST=13% %SV=85% pH=6.9
Con base en las etapas de diseño y la información presentada en el caso de estudio, se calcularan las dimensiones del biodigestor.
Solución Para el diseño del biodigestor anaerobio, de acuerdo a lo previamente estudiado, se seguirán los siguientes pasos:
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1. 2. 3. 4. 5.
EstimaciĂłn de la disponibilidad de la materia prima. CaracterizaciĂłn de la materia prima. DeterminaciĂłn de las condiciones ambientales y geogrĂĄficas de la zona. EstimaciĂłn de las dimensiones del biodigestor. Otras estimaciones pertinentes.

EstimaciĂłn de la disponibilidad de la materia prima
El primer factor a considerar en el diseĂąo de un sistema de biodigestiĂłn anaerobia, es el cĂĄlculo de la disponibilidad de la materia prima, es decir, la biomasa o sustrato con la que se cuenta para la producciĂłn del biogĂĄs. Para ello, debe identificarse la cantidad de excreta diaria que se produce. De acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, para este cĂĄlculo se sabe que se dispone de 20 cerdos estabulados (masa aproximada de 68 kg/cerdo), y que por cada 100 kg de cerdo, se generan 4 kg de excreta; por lo tanto: đ?‘˜đ?‘” đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ = (20 đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œđ?‘ ) (68
đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘‘đ?‘–đ?‘ đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘–đ?‘?đ?‘™đ?‘’ =
đ?‘˜đ?‘”â „ đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ) = 1,360 đ?‘˜đ?‘” đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ
(1,360 đ?‘˜đ?‘” đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ)(4 đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž /đ?‘‘Ăđ?‘Ž) 100 đ?‘˜đ?‘” đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ
đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘‘đ?‘–đ?‘ đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘–đ?‘?đ?‘™đ?‘’ = 54.40 
đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œâ „ đ?‘‘Ăđ?‘Ž
CaracterizaciĂłn de la materia prima
Una vez que se conoce la cantidad de biomasa disponible para el proceso, se realiza su caracterizaciĂłn fĂsico-quĂmica, a travĂŠs de pruebas de laboratorio. Tras realizar los ensayos correspondientes, de acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, se sabe que la materia prima contiene: 76% de carbono, 3.8% de nitrĂłgeno, 13% de sĂłlidos totales, 85% de sĂłlidos volĂĄtiles y pH de 6.9. Con estos datos, se verifica la relaciĂłn C/N, de acuerdo a la siguiente operaciĂłn: đ?‘…đ?‘’đ?‘™đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› đ??ś/đ?‘ =
đ??śđ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ đ?‘„đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ (0.760)(54.40 đ?‘˜đ?‘”) = đ?‘ đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ đ?‘„đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œ (0.038)(54.40 đ?‘˜đ?‘”)
đ?‘…đ?‘’đ?‘™đ?‘Žđ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› đ??ś/đ?‘ = 20 Dado que la materia prima tiene un 13% ST, como parte de los pretratamientos, serĂĄ necesario agregar agua para ajustar este valor, ya que se requiere de 5% ST para favorecer la movilidad adecuada de las bacterias metanogĂŠnicas.
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Con lo que respecta al pH, este valor estĂĄ dentro del rango permitido, por lo que no serĂĄ necesaria la adiciĂłn de ĂĄcidos o ĂĄlcalis para su ajuste.

DeterminaciĂłn de las condiciones ambientales y geogrĂĄficas de la zona
Una vez que se conoce la disponibilidad y caracterĂsticas fĂsico-quĂmicas de la materia prima, se debe recopilar informaciĂłn de las condiciones ambientales de la zona donde se implementarĂĄ el biodigestor, considerando principalmente la temperatura anual media de la regiĂłn. Dado que el biodigestor se colocarĂĄ en un lugar de clima tropical con temperatura media anual de 35°C, en la que se permite el desarrollo de microorganismos mesĂłfilos, se puede considerar un TRH de 30 dĂas. 
EstimaciĂłn de las dimensiones del biodigestor
Una vez que se cuenta con informaciĂłn sobre la disponibilidad de la biomasa, las caracterĂsticas fĂsico-quĂmicas de la materia prima, y las condiciones ambientales del lugar en el que se colocarĂĄ el sistema; se procede al cĂĄlculo del volumen total del biodigestor. Para ello, en primer lugar, se determina el volumen que ocupa la materia prima disponible (Vexcreta), que de acuerdo a la primera etapa de diseĂąo del biodigestor es de 54.40 kg. Las pruebas de laboratorio reflejaron que la excreta tiene una densidad de 700 kg/m3, por lo tanto, el volumen serĂĄ de: đ?œŒđ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž =
đ?‘€đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘€đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž ∴ đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?œŒđ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž 54.40 đ?‘˜đ?‘” đ?‘˜đ?‘” 700 â „ 3 đ?‘š = 0.08 đ?‘š3 đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž
đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž
De acuerdo a la caracterizaciĂłn fĂsico-quĂmica de la materia prima, esta tiene un 13% ST, por lo que es necesario calcular la cantidad de agua (Magua) que se requiere para lograr una diluciĂłn del 5% ST, lo cual se realiza a travĂŠs de la siguiente ecuaciĂłn:
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%đ?‘†đ?‘‡ (đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘–đ?‘™đ?‘˘đ?‘–đ?‘‘đ?‘Ž) =
����� =
(1 đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘Ž)(%đ?‘†đ?‘‡ đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘Ž) 1 đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘Ž + đ?‘€đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž
(1 đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘Ž)(%đ?‘†đ?‘‡ đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘Ž − %đ?‘†đ?‘‡ đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘–đ?‘™đ?‘˘đ?‘–đ?‘‘đ?‘Ž) %đ?‘†đ?‘‡ đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘–đ?‘™đ?‘˘đ?‘–đ?‘‘đ?‘Ž đ?‘€đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž =
(1 đ?‘˜đ?‘”)(0.13% − 0.05%) = 1.6 đ?‘˜đ?‘” đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž 0.05 %
Dado que el cĂĄlculo anterior aplica para 1 kg de excreta, entonces, para los 54.40 kg de estiĂŠrcol disponibles, la masa de agua necesaria serĂĄ de: đ?‘€đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž = (1.6 đ?‘˜đ?‘” đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž)(54.40 đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘–đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘œđ?‘™) = 87.04 đ?‘˜đ?‘” đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘€đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž = 87.04 đ?‘˜đ?‘” đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž Si se considera que la densidad del agua es de1000 kg/m3, entonces el volumen que ocupa es de: đ?œŒđ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž =
đ?‘€đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘€đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž ∴ đ?‘‰đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?œŒđ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž 87.04 đ?‘˜đ?‘” đ?‘˜đ?‘” 1,000 â „ 3 đ?‘š 3 = 0.09 đ?‘š đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž
����� = �����
Ahora que se conoce el volumen de la cantidad de agua que se agregarĂĄ a la materia prima disponible diaria, para lograr una diluciĂłn correcta (5% ST), se procede al cĂĄlculo del volumen de la cĂĄmara de digestiĂłn (VcĂĄmara), la cual albergarĂĄ al sustrato y a los microorganismos por un periodo de 30 dĂas (TRH), de acuerdo a la temperatura media anual de la zona donde se instalarĂĄ el biorreactor anaerobio. Es decir: đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž = (đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž + đ?‘‰đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž )(đ?‘‡đ?‘…đ??ť) đ?‘‰ đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž = (0.08 đ?‘š3 + 0.09 đ?‘š3 )(30) = 5.1 đ?‘š3 đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž = 5.1 đ?‘š3 Dado que el sistema estĂĄ formado por la cĂĄmara de fermentaciĂłn (75%) y por la cĂşpula de gas (25%), entonces, con base en el cĂĄlculo del volumen de la cĂĄmara de digestiĂłn, el volumen total del biodigestor (Vtotal) serĂĄ:
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đ?‘‰đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™ =
đ?‘‰đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™
đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž 0.75
(5.1 đ?‘š3 ) = 0.75
đ?‘‰đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™ = 6.8 đ?‘š3 Finalmente, el volumen de la cĂşpula de gas (VcĂşpula) serĂĄ de: đ?‘‰đ?‘?Ăşđ?‘?đ?‘˘đ?‘™đ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™ − đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘‰đ?‘?Ăşđ?‘?đ?‘˘đ?‘™đ?‘Ž = 6.8 đ?‘š3 − 5.1 đ?‘š3 đ?‘‰đ?‘?Ăşđ?‘?đ?‘˘đ?‘™đ?‘Ž = 1.7 đ?‘š3 Debido a que el biodigestor a implementarse es de rĂŠgimen semicontinuo, este se alimenta diariamente, con sustrato, una vez concluido el TRH. Por el registro de salida del biorreactor, se desaloja simultĂĄneamente, el mismo volumen que el suministrado al sistema, sĂłlo que en esta parte del reactor se obtiene biol como subproducto del proceso. El volumen de carga diaria (Vcarga), es decir, la cantidad de sustrato que hay que incorporar en el biorreactor, una vez transcurrido el TRH, se calcula de acuerdo a la siguiente ecuaciĂłn: đ?‘‰đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž =
đ?‘‰đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž =
đ?‘‰đ?‘?ĂĄđ?‘šđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘‡đ?‘…đ??ť
5.1 đ?‘š3 30 đ?‘‘Ăđ?‘Žđ?‘
3 đ?‘‰đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž = 0.17 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž
La carga diaria se prepara al mezclar: đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž =
(%đ?‘†đ?‘‡ đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž đ?‘‘đ?‘–đ?‘™đ?‘˘đ?‘–đ?‘‘đ?‘Ž)(đ?‘‰đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ž ) %đ?‘†đ?‘‡ đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž đ?‘“đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘Ž
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đ?‘‰đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž
3 (0.05%)(0.17 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž ) 3 = = 0.08 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž đ?‘’đ?‘Ľđ?‘?đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ž 0.13%
3 3 3 đ?‘‰đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž = 0.17 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž − 0.08 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž = 0.09 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž Como informaciĂłn adicional, se puede estimar la cantidad de biogĂĄs que se generarĂĄ y la eficiencia termoelĂŠctrica del biogĂĄs, recurriendo al dato de %SV (obtenido durante la caracterizaciĂłn fĂsico-quĂmica de la biomasa). Para el caso particular del caso de estudio, se sabe que: %ST=13, %SV=85, por lo tanto:
%�� = (54.40
đ?‘˜đ?‘” đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘–ĂŠđ?‘&#x;đ?‘?đ?‘œđ?‘™ đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘‘đ?‘œâ „ đ?‘‘Ăđ?‘Ž) (0.13) = 7.07 đ?‘˜đ?‘” đ?‘†đ?‘‡/đ?‘‘Ăđ?‘Ž
%�� = (7.07
đ?‘˜đ?‘”â „ đ?‘‘Ăđ?‘Ž) (0.85) = 6.01 đ?‘˜đ?‘” đ?‘†đ?‘‰/đ?‘‘Ăđ?‘Ž
Conociendo que 1kg SV de estiĂŠrcol de cerdo produce 0.3234 m3 de biogĂĄs y que este contiene 65% CH4 (1 m3 CH4=1.8 kWh): đ?‘š3 đ?‘?đ?‘–đ?‘œđ?‘”ĂĄđ?‘ = (6.01
đ?‘˜đ?‘” đ?‘†đ?‘‰ đ?‘š3 ) (0.3234 ) = 1.94 đ?‘š3 /đ?‘‘Ăđ?‘Ž đ?‘‘Ăđ?‘Ž đ?‘˜đ?‘” đ?‘†đ?‘‰
3 3 3 đ??śđ??ť4 (đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž) = (1.94 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž) (0.65) = 1.26 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž 3 đ?‘˜đ?‘Šâ„Ž = (1.26 đ?‘š â „đ?‘‘Ăđ?‘Ž)(1.8 đ?‘˜đ?‘Šâ„Žâ „ 3 ) = 2.27 đ?‘˜đ?‘Šâ„Žâ „đ?‘‘Ăđ?‘Ž đ?‘š
Lo antes descrito representa una propuesta metodolĂłgica de la forma en que pueden calcularse los parĂĄmetros mĂĄs importantes de un biorreactor anaerobio semicontinuo. En el caso de que el sistema sea discontinuo (lote), no es necesario determinar el volumen de carga diaria, ya que el sustrato se alimentarĂĄ en una sola ocasiĂłn (al inicio del proceso) y una vez transcurrido el TRH, el biodigestor se vaciarĂĄ completamente para iniciar un nuevo ciclo.
Para concluir el tema, es importante recalcar que la tecnologĂa de producciĂłn de biogĂĄs mediante biodigestores, que proporcionan las condiciones adecuadas para el metabolismo de las poblaciones de microorganismos que participan en la degradaciĂłn de diversas materias primas, es hoy una de las ĂĄreas de desarrollo mĂĄs importantes en las
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que impacta la Biotecnología, como una solución ante la crisis energética mundial que se vive por la sobreexplotación y agotamiento de los recursos fósiles. Para seguir documentándote y comprendiendo el subtema, es recomendable que realices la lectura del documento Manual para la producción de biogás, de Jorge A. Hilbert (2003), particularmente las páginas 6 a 51 donde encontrarás los principales factores que afectan la producción de biogás, la tecnología empleada para este fin, los campos de aplicación de los productos del sistema y los componentes y materiales de un biodigestor anaerobio. También puedes leer el documento Tecnología del biogás, de Juan Pablo Silva Vinasco (2002), que te permitirá conocer la composición bioquímica y determinación de la demanda del biogás; así como, los parámetros de operación, proyección y dimensionamiento de los sistemas de biodigestión anaerobia. Ambos documentos se encuentran en la sección de Material de apoyo.
2.2. Fermentadores para producción de bioetanol Tal como se mencionó en la presentación de la unidad, la biotecnología energética se encarga de la producción de biocombustibles a partir de restos orgánicos, que son sometidos a procesos como la fermentación. Una de sus líneas de desarrollo, es la producción de biocarburantes líquidos, como el bioetanol. Como energético, dicho biocombustible, se utiliza, a nivel mundial, para: a) Automoción: puro o como mezcla gasolina/bioetanol. b) Como aditivo para gasolina (antidetonante): en forma de éter etil terbutílico (ETBE), que se forma por la mezcla de bioetanol e isobuteno. La producción de bioetanol se realiza en biorreactores específicos denominados fermentadores, a través de los cuales se proporciona a los microorganismos involucrados, las condiciones adecuadas para que efectúen la fermentación alcohólica de materias primas ricas en hidratos de carbono (generados en las plantas gracias al proceso de la fotosíntesis).
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Figura 18. Ciclo del bioetanol. Fuente: Toyo Engineering Corporation, s.f.
A pesar de la importancia del bioetanol como fuente alterna de combustible para automoción, su producción perdió importancia a finales de la primera mitad del siglo XX, al ser sustituida por la elaboración de etanol por vía sintética, a partir de derivados del petróleo. Sin embargo, dado el inevitable agotamiento de dicho recurso, la vía fermentativa, es hoy ampliamente explotada (Hernández, 2007). Para que el proceso de producción de bioetanol sea competitivo y sostenible, actualmente se trabaja en la búsqueda de materias primas que sustituyan a los tradicionales sustratos azucarados, ejemplo de ello, es el uso de materiales lignocelulósicos, que tras un proceso de deslignificación (eliminación de la lignina), son viables para la generación de alcohol etílico. Además, se trabaja en la optimización de la fermentación, de la recuperación y purificación del alcohol, con la finalidad de mejorar la eficiencia del proceso.
Dado que es tarea del biotecnólogo el diseño de los biorreactores, el establecimiento de las condiciones óptimas del bioproceso y la búsqueda de nuevas materias primas; en este tema se busca que conozcas como se produce la fermentación a partir de carbohidratos, materiales amiláceos y hemicelulósicos, así como los componentes y materiales de un
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fermentador y los parámetros para calcular las dimensiones de un biorreactor específico para la producción de bioetanol. En otras palabras, a través del estudio del contenido del tema y del desarrollo de las actividades, tendrás las herramientas para comprender los fundamentos teóricos de la fermentación alcohólica y su relación con las diversas materias primas (amiláceas, lignocelulósicas y con azúcares de disponibilidad inmediata), que serán aplicados en el análisis de los parámetros y variables de diseño de los componentes del sistema.
2.2.1. Fermentación a partir de carbohidratos, materiales amiláceos y hemicelulósicos Tal como se comentó en la presentación del tema, el bioetanol es un biocarburante líquido que se emplea como aditivo de gasolinas o para la automoción, puro o en mezcla, en vehículos ligeramente modificados. El uso de mezclas bioetanol/gasolina presenta algunas ventajas respecto al empleo de combustibles fósiles, tales como:
Su combustión tiene menor impacto ambiental que los recursos fósiles, ya que genera menos emisiones de dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno. Su combustión emite menos cantidad de óxidos de azufre, precursores de la lluvia ácida. Su mezcla con gasolina, incrementa el octanaje del combustible, por lo que se mejora su rendimiento.
El bioetanol es un alcohol sencillo formado por dos átomos de carbono (CH3-CH2-OH), que se obtiene a través de la fermentación alcohólica de materias primas de origen vegetal, ricas en carbohidratos, por ejemplo: la remolacha, el maíz, la caña de azúcar u otros cultivos energéticos (cultivos destinados a la generación de biomasa para la producción de bioenergía). Las células de los microorganismos involucrados en este bioproceso, utilizan las moléculas de los sustratos (generalmente carbohidratos y lípidos), como fuentes de energía. Su liberación se regula mediante enzimas respiratorias, lo que permite el aprovechamiento total del recurso energético, que es captado en forma de enlaces de alta energía que dan lugar a moléculas de adenosín trifosfato o ATP (almacén de energía de la célula).
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En el citoplasma de las células de los microorganismos, la glucosa se transforma al recibir una molécula de fosfato con enlace de alta energía proveniente del ATP. Después, ocurre un segunda fosforilación, por intervención del ATP, que hace que la molécula de seis carbonos se divida en dos moléculas de tres carbonos, el gliceraldehído, que mediante la intervención de enzimas respiratorias específicas, llega a transformarse en dos moléculas de ácido pirúvico (Gama, 2004). En la respiración anaerobia (se realiza en ausencia de oxígeno) de levaduras como las del género Saccharomyces, las moléculas de ácido pirúvico se degradan para formar dos moléculas de alcohol etílico, dos moléculas de dióxido de carbono, más 2 ATP de energía; esta ruta metabólica recibe el nombre de fermentación alcohólica.
Figura 19. Fermentación alcohólica. Fuente: Hipertextos del área de la biología, 2004.
La glucosa necesaria para que las células de los microorganismos efectúen la fermentación alcohólica puede provenir de diversas fuentes, que se clasifican en:
Materias primas con azúcares de disponibilidad inmediata. Son aquellas con alto contenido de azúcares simples (glucosa, sacarosa o fructosa). Por ejemplo: la caña de azúcar, la remolacha azucarera, los jugos y residuos de frutas. Figura 20. Frutas. Sustrato para producción de bioetanol. Fuente: XFEM, 2012.
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Materiales amiláceos. Son aquellos con altas concentraciones de almidón. Por ejemplo: la papa, la yuca, el maíz, el trigo, el arroz, entre otros.
Figura 21. Papas. Sustrato para producción de bioetanol. Fuente: Revista Hoy, 2013.
Materiales lignocelulósicos. Son aquellos con altos contenidos de celulosa y hemicelulosa. Dentro de este grupo se encuentran los restos de poda, los residuos agroindustriales y de la industria del papel, etc. Figura 22. Residuos de poda. Sustrato para producción de bioetanol. Fuente: Sekano, 2007.
Existen varias técnicas para realizar la fermentación alcohólica para la producción de bioetanol, a continuación se detallan. 1.- Producción de bioetanol a partir de materias primas con azúcares de disponibilidad inmediata Esta técnica de producción de bioetanol se recomienda cuando se dispone de sustratos como la caña de azúcar y jugos o residuos de pulpa de frutas, los cuales son ricos en azúcares simples, fáciles de metabolizar por los microorganismos involucrados. Para la producción de alcohol a partir de materias primas con azúcares de disponibilidad inmediata se suele utilizar la levadura Saccharomyces cerevisiae, ya que aprovecha la sacarosa del sustrato para su conversión a glucosa y/o fructosa, monosacáridos fácilmente asimilables.
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đ??ś12 đ??ť22 đ?‘‚11 Sacarosa
+
đ??ś6 đ??ť12 đ?‘‚6 Glucosa/fructosa
đ??ť2 đ?‘‚ Agua →
→
đ??ś6 đ??ť12 đ?‘‚6 + Glucosa
2đ??ś2 đ??ť5 đ?‘‚đ??ť Etanol
+
đ??ś6 đ??ť12 đ?‘‚6 Fructosa
2đ??śđ?‘‚2 DiĂłxido de carbono
Mediante el acondicionamiento se elimina la suciedad (polvo, piedras, hojas) de la biomasa y se secciona en trozos pequeĂąos para facilitar la extracciĂłn del jugo a travĂŠs de molinos. Al bagazo resultante de la molienda y extracciĂłn, se le agrega agua caliente para obtener la mĂĄxima cantidad posible de sacarosa, este subproceso recibe el nombre de maceraciĂłn. El jugo obtenido de la extracciĂłn y de la maceraciĂłn, se calienta y se somete a un proceso de clarificaciĂłn mediante compuestos quĂmicos, lo que permite eliminar sĂłlidos insolubles, que son separados mediante sedimentaciĂłn y filtraciĂłn. El jugo clarificado se concentra por evaporaciĂłn y se esteriliza para eliminar microorganismos que pudieran interferir en etapas posteriores de la producciĂłn de bioetanol, es decir, a travĂŠs del tratamiento fisicoquĂmico se purifica el jugo para su fermentaciĂłn. Durante la fermentaciĂłn, los azĂşcares del jugo purificado, se convierten en alcohol etĂlico hidratado (5% de agua) gracias a la acciĂłn de levaduras que trabajan en un rango de temperatura de 20 a 30°C. Cuando el bioetanol se ocupa para mezcla con gasolina, es necesario que estĂŠ exento de humedad, ya que el agua incluso en pequeĂąas cantidades, produce la separaciĂłn de las fases de la mezcla, lo que reduce el rendimiento del motor. Por ello, la etapa de eliminaciĂłn de humedad e impurezas es de suma importancia al final del procesamiento. El proceso antes descrito, se muestra en el siguiente esquema.
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Esquema detallado de producción de bioetanol a partir de materias primas con azúcares de disponibilidad inmediata. A pesar de que la tecnología de producción de bioetanol, a partir de materias primas azucaradas ha sido ampliamente estudiada, presenta una gran problemática de índole Universidad Abierta y a Distancia de México
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social, ya que, existe una fuerte controversia relacionada con el uso de dicha biomasa con fines alimenticios o energéticos. Es por ello, que las tendencias actuales apuntan hacia la producción de este biocarburante a partir de materiales alternos tales como los residuos de poda, que serán discutidos más adelante. Producción de bioetanol a partir de materiales amiláceos Como ya se estudió, se llama materiales amiláceos a aquellos que tienen altas concentraciones de almidón. El almidón es un polisacárido de reserva energética encontrado en las plantas. Está constituido por amilosa (polímero lineal de glucosa) y amolipectina (polímero ramificado de glucosa).
Figura 23. Representación del almidón. Fuente: Pérez, S., 2010.
Para obtener bioetanol a partir de almidón es necesario romper su cadena en unidades más pequeñas, mediante tratamiento enzimático (hidrólisis enzimática) o con ácido diluido (hidrólisis ácida); a través de lo cual, se hidroliza progresivamente a maltosa y después a glucosa, que es convertida, mediante levaduras, en alcohol etílico. La siguiente figura resume los métodos de hidrólisis para la producción de dicho bioenergético líquido a partir de materiales amiláceos.
Producción de bioetanol/amiláceos
Hidrólisis enzimática Molienda seca Abierta y a Distancia de México Universidad Molienda húmeda
Hidrólisis ácida 45
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Métodos de producción de bioetanol a partir de materiales amiláceos. Cuando se emplean cereales como el maíz, el arroz o el trigo, para la extracción del almidón destinado a la producción del biocarburante líquido en cuestión, la hidrólisis juega un papel importante, ya que divide la estructura compleja del polisacárido para conseguir una solución azucarada, que puede ser fácilmente metabolizada por microorganismos como el Saccharomyces cerevisiae. La fase de acondicionamiento tiene como finalidad eliminar suciedad (polvo, piedras, hojas, etc.), obtener subproductos aprovechables de los granos (proteína soluble, germen, salvado, entre otros) y extraer el almidón a procesar. El acondicionamiento de las semillas se puede efectuar de dos formas: por molienda vía seca o por molienda vía húmeda. En la molienda vía seca, los cereales son triturados hasta obtener harina con tamaño de grano menor a 3 mm. Posteriormente se mezcla con agua hasta obtener una concentración de 40% de sólidos. En cambio, en la molienda vía húmeda, los granos se maceran en una solución de ácido sulfuroso a pH 4, durante 30-50 horas y a una temperatura de 54°C. Terminado el tratamiento, se extrae el almidón, separándolo de otros subproductos que serán utilizados, principalmente, para alimentación animal. Esta opción requiere más inversión económica y energética que la anterior, sin embargo, es preferible ya que el almidón obtenido es más puro, lo que se ve reflejado en un mayor rendimiento del proceso de fabricación de bioetanol. Una vez obtenido el polisacárido a procesar, por cualquiera de las dos vías, se somete a una licuefacción, cuyo objetivo es reducir la longitud de las cadenas de almidón por acción de la enzima α-amilasa. Posteriormente, con ayuda de la glucoamilasa, se liberan azúcares simples o fermentables, principalmente glucosa, este proceso se denomina sacarificación. Una vez terminado el proceso de hidrólisis enzimática (formado por las fases de licuefacción y sacarificación), se continua con la fermentación a través de Saccharomyces cerevisiae, obteniendo alcohol etílico hidratado que en etapas sucesivas se somete a una eliminación de humedad e impurezas, con la finalidad de generar bioetanol anhidro, que se emplea como bioenergético para automoción.
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Los siguientes esquemas, muestran los subprocesos y las condiciones necesarias para la producción de bioetanol por hidrólisis enzimática/molienda seca y húmeda de cereales.
ACONDICIONAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA Agua (30°C) Molienda Tamaño de grano<3 mm (harina)
Materia prima Limpieza
Mezcla H2O/Materia prima (40% sólidos)
Piedras, hojas, arena, polvo LICUEFACCIÓN α-amilasa (0.5 mL/L)
α-amilasa (0.5 mL/L)
Cocción (110°C, 30 min)
Licuefacción (80°C, 400 rpm, pH 5.0, HCl 1.0 N, 1 hora)
Prelicuefacción (80°C, 400 rpm, pH 5.0, HCl 1.0 N, 30 min)
SACARIFICACIÓN Glucoamilasa (1.5 mL/L) Acondicionamiento (60°C, pH 4.5, HCl 1.0 N)
Sacarificación (20 horas)
Acondicionamiento (9°Bx, 30°C, pH 4.5, 6 g/L de (NH4)2HPO4, 2 g/L de MgSO4.7H2O, 3 g/L KH2PO4)
BIOETANOL ANHIDRO FERMENTACIÓN Tamices moleculares
Rectificación
Destilación
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Saccharomyces cerevisiae (11 g/L peso seco de levadura, 60 horas)
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Esquema detallado de la producción de bioetanol por hidrólisis enzimática/molienda seca de cereales. ACONDICIONAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA Materia prima
Piedras, hojas, arena, polvo Almidón y proteínas
Molienda gruesa (Molino de fricción)
Filtración (Malla)
Maceración (pH 4, 30-50 horas, agua 54°C)
Limpieza
Agua Proteína soluble Molienda fina (Molino de impacto)
Tamizado
Filtración (Hidrociclón) Germen
Agua Fibra (salvado)
Limpieza
Salvado (alimento animal)
Almidón
Centrifugación (Hasta menos de 0.3% proteínas)
Almidón
Gluten
α-amilasa (0.5 mL/L)
Prelicuefacción (80°C, 400 rpm, pH 5.0, HCl 1.0 N, 30 min)
Centrifugación
Cocción (110°C, 30 min)
Destilación y rectificació n
Lavado
Materia p/producción de aceite
Secado
α-amilasa (0.5 mL/L)
BIOETANOL ANHIDRO Tamices moleculares
Desecad o
Desecad o
Filtración
Agua
Agua
Agua
LICUEFACCIÓN (80°C, 400 rpm, pH 5.0, HCl 1.0 N, 1 hora)
FERMENTACIÓN Saccharomyces cerevisiae (11 g/L peso seco de levadura, 60 horas)
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Almidón
Gluten (alimento animal)
Glucoamilasa (1.5 mL/L) Acondicionamiento (60°C, pH 4.5, HCl 1.0 N) y SACARIFICACIÓN (20 horas)
Acondicionamiento (9°Bx, 30°C, pH 4.5, 6 g/L de (NH4)2HPO4, 2 g/L de MgSO4.7H2O, 3 g/L KH2PO4)
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Esquema detallado de la producción de bioetanol por hidrólisis enzimática/molienda húmeda de cereales.
Además de los cereales previamente estudiados, se pueden emplear tubérculos (por ejemplo, la papa o la yuca) como fuentes de obtención de almidón. El polisacárido obtenido de esta forma, se puede hidrolizar a azúcares simples por vía enzimática o ácida, sin embargo, se ha demostrado que esta última implica menos costo y tiempo de procesamiento. La etapa de acondicionamiento tiene como objetivo extraer almidón puro de los tubérculos. Para ello, se someten a una limpieza que permite eliminar piedras, polvo, hojas, entre otros. Posteriormente, son cortados en trozos de menor tamaño, lo que facilita la molienda y aislamiento del polisacárido, que es purificado a través de lavados sucesivos con disolventes orgánicos (etanol, acetona y éter etílico). El hidrato de carbono así obtenido, se pone en contacto con una solución de ácido sulfúrico a pH 0.8, por un periodo de 5 horas, con lo que se logra la hidrólisis de sus cadenas, dando lugar a una solución azucarada, que tras su acondicionamiento, es fermentada con ayuda de la levadura Saccharomyces cerevisiae, obteniendo bioetanol con 5% de humedad. Este se somete a destilación a efecto múltiple (se utilizan columnas en serie que operan a presiones progresivamente menores) y a una rectificación, para eliminar humedad e impurezas, produciendo bioetanol anhidro, empleado como biocarburante o para la síntesis de ETBE. El siguiente esquema muestra los subprocesos y las condiciones necesarias para la producción de bioetanol por hidrólisis ácida del almidón de tubérculos.
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ACONDICIONAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA
Materia prima Limpieza
Descascarillado
Piedras, polvo Etanol (95% v/v)
Agua (30°C)
Molienda (1:1 agua/tubérculo)
Filtración
Torta
Cáscara Filtrado
Agua
Lavado (2 veces)
Almidón (Sedimento)
Lavado (1 vez)
Decantación
Sedimentar (30 min)
Agua Éter etílico
Acetona
Lavado (1 vez)
Lavado (2 veces)
Acondicionamiento (9°Bx, 30°C, pH 4.5, 6 g/L de (NH4)2HPO4, 2 g/L de MgSO4.7H2O, 3 g/L KH2PO4)
Neutralización (NaOH 5 N)
FERMENTACIÓN Saccharomyces cerevisiae (11 g/L peso seco de levadura, 60 horas)
Destilación
Secar (50°C, 1 hora)
Filtración
Rectificación
Disolver (170 g almidón/L)
HIDRÓLISIS (pH 0.8, H2SO4 20%, 5 horas, 395 rpm, reflujo)
Tamices moleculares
BIOETANOL ANHIDRO
Esquema detallado de la producción de bioetanol por hidrólisis ácida del almidón de tubérculos. Universidad Abierta y a Distancia de México
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A pesar del desarrollo e investigaciones realizadas en torno a la producción de bioetanol a partir de materias primas amiláceas, unos de los principales obstáculos a enfrentar, es que dicha biomasa es de consumo humano, es decir, su empleo con fines de producción de alcohol etílico carburante pone en riesgo la seguridad alimentaria, por lo que el empleo de fuentes alternas, como los materiales lignocelulósicos, a continuación discutidos, representa una opción para conseguir dicho producto. Producción de bioetanol a partir de materiales lignocelulósicos En los materiales lignocelulósicos, tales como la cascarilla de arroz, el bagazo de caña, los desechos cítricos (cáscaras) o los restos de poda; la celulosa (formada por unidades de D-glucosa) y la hemicelulosa (formado por pentosas como: xilosa y arabinosa; y hexosas como: manosa, glucosa y galactosa), ambas susceptibles de transformarse en bioetanol, se encuentran estructuralmente ligadas a la lignina, un heteropolímero amorfo, insoluble en agua y resistente a ataques químicos y microbiológicos.
Figura 24. Pared celular de una planta. Fuente: C&EN, 2008.
Debido a que la degradación de dicho heteropolímero, a través de microorganismos, es difícil, se requiere de un pretratamiento que lo elimine y deje libres a la celulosa y a la
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hemicelulosa para su posterior hidrólisis (que degrada la materia orgánica de gran tamaño para generar monosacáridos como la glucosa) y fermentación. El pretratamiento es una de las etapas críticas en la conversión de materiales lignocelulósicos a bioetanol, ya que permite reducir la cantidad de lignina, la cristalinidad de la celulosa, incrementar el área de contacto, y por lo tanto, se favorece la hidrólisis y la fermentación. De acuerdo con Sánchez et al. (2010), las diferentes alternativas de pretratamiento para la conversión de materiales lignocelulósicos, se pueden clasificar en:
Pretratamientos mecánicos: su finalidad es la reducción del tamaño de partícula. Entre ellos se encuentran la trituración mecánica y el ultrasonido. Pretratamientos térmicos: permiten la solubilización de la lignina y la hemicelulosa, a través del incremento de la temperatura. La explosión por vapor y el tratamiento con agua líquida a alta temperatura (LHW), forman parte de esta clasificación. Pretratamientos fisicoquímicos: a través de ellos, se logra la solubilización de la hemicelulosa y la lignina, mediante la manipulación de parámetros físicos (como la temperatura y la presión) y el uso de compuestos químicos. El proceso de explosión de fibra con amoniaco (AFEX) y la explosión con CO2 forman parte de este grupo. Pretratamientos químicos: a través del uso de compuestos químicos, se logra la eliminación de la lignina y la solubilización de la celulosa y de la hemicelulosa. Entre los tratamientos de esta categoría se encuentran: el tratamiento ácido y alcalino, la oxidación húmeda, el tratamiento con ozono y el procesamiento con solventes orgánicos. Pretratamientos biológicos: el material lignocelulósico se somete a la acción de determinadas enzimas o microorganismos, como los hongos de la podredumbre blanca o marrón. El objetivo es degradar la lignina y la hemicelulosa. El tratamiento con hongos y con biosolventes orgánicos, se encuentran dentro de esta clasificación.
En la práctica, todo pretratamiento inicia con la molienda (trituración mecánica) del material lignocelulósico, ya que esto permite aumentar la superficie de contacto.
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Figura 25. Equipo para trituración mecánica. Fuente: Revilla, 2008.
El material molido se somete a un tratamiento, que favorece la eliminación de la lignina y la solubilización de la hemicelulosa. Entre los empleados se encuentran: a) Tratamiento con álcalis: utiliza hidróxido de sodio al 12%, a una temperatura de 60°C por 24 horas. b) Tratamiento con ácidos: se emplean ácidos fuertes como: clorhídrico, sulfúrico y nítrico, a una temperatura de 185°C. c) Explosión por vapor: la materia prima se somete a temperaturas entre 160260ºC, mediante la inyección directa de vapor saturado, por un intervalo de tiempo de 1-10 minutos. Seguidamente, se lleva el producto a una rápida descompresión hasta presión atmosférica (Sánchez et al., 2010). d) Explosión de fibra con amoniaco: el material lignocelulósico se pone en contacto con amoniaco a 27°C y a 1.24 MPa. Posteriormente, se reduce la presión, con lo que se logra la expansión de la biomasa. e) Tratamiento biológico: para este fin se emplean principalmente hongos basidiomicetos (Phanerochaete chrysosporium). Es importante recalcar, que los pretratamientos químicos y fisicoquímicos presentan una mayor eficiencia de eliminación de lignina que los biológicos; sin embargo, implican mayores costos debido a los requerimientos energéticos y a los relacionados con los reactivos químicos empleados, como: adquisición, uso, disposición y medidas de seguridad concernientes al almacenamiento. Tras el pretratamiento, la materia prima se somete a hidrólisis ácida o enzimática, siendo esta última la de mayor uso. Con la finalidad de romper las cadenas de celulosa y hemicelulosa, se suelen utilizar enzimas endocelulasas, exocelulas y glucosidasas, obteniéndose una solución azucarada que es sometida a fermentación con ayuda de
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Saccharomyces cerevisiae. El alcohol hidratado, así generado, se destila, rectifica y se pasa por tamices moleculares, dando lugar al bioetanol anhidro carburante. El proceso de producción de alcohol etílico a partir de materiales lignocelulósicos, es más complejo que el que utiliza biomasa con azúcares simples disponibles o amiláceos, ya que el desarrollo y puesta en marcha de los pretratamientos para la eliminación de la lignina, aún están en perfeccionamiento, lo que explica la inmadurez de esta tecnología. Debido a ello, los biotecnólogos trabajan en la optimización e investigación de nuevos procedimientos que permitan aumentar la eficiencia de remoción y solubilización de dicho heteropolímero.
2.2.2. Componentes y materiales de un fermentador De acuerdo al subtema anterior, para la producción de bioetanol, se requieren materias primas que contengan sustancias fermentables, que pueden provenir de frutas, cereales, tubérculos, biomasa lignocelulósica, entre otras. El proceso de conversión de carbohidratos sencillos a alcohol carburante, se efectúa en dispositivos específicos denominados fermentadores. Tal como estudiaste en la asignatura de Ingeniería de Biorreactores I, los fermentadores son dispositivos que mantienen las condiciones ambientales propicias para el crecimiento, desarrollo y reproducción de los microorganismos (pH, temperatura, concentración de nutrientes, etc.), que tras efectuar sus procesos metabólicos, pueden generar alcohol etílico, utilizado con fines energéticos. A manera de recordatorio, considera que los procesos fermentativos se realizan en biorreactores con medio líquido o con sustrato sólido. En el caso particular de los fermentadores en estado sólido, los organismos crecen sobre una matriz (natural o artificial) en escasez o ausencia de agua libre. El sustrato debe contener sólo la humedad y los nutrientes necesarios para favorecer el crecimiento y la actividad metabólica de los microorganismos. Dentro de este tipo de reactores, se encuentran: los de bandeja, los de tambor rotatorio, los de cama empacada y los de columna de lecho fijo. Sus principales aplicaciones están enfocadas a la producción de pigmentos, antioxidantes, proteínas catalíticas, ácidos orgánicos, etc. Por otro lado, en los fermentadores que emplean medio líquido, se dispone de un 9095% de agua, donde la biotransformación de los sustratos en el producto de interés, se efectúa de forma sumergida. Entre este tipo de reactores se hayan los de columna de burbujeo, los de recirculación y los de tanque agitado; siendo estos últimos, los más utilizados para la fermentación alcohólica. Universidad Abierta y a Distancia de México
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Los fermentadores de tanque agitado permiten homogeneizar la mezcla contenida en él, es decir, favorecen una composición uniforme en cualquier punto del dispositivo. Este tipo de biorreactores pueden ser de régimen: a) Discontinuo (batch, lote): son aquellos que trabajan por cargas, es decir, todos los nutrientes que se requieren para efectuar el proceso son depositados en el fermentador desde el inicio de la operación. Después de un tiempo dado, determinado por la cinética de la reacción, al concluirse la conversión de la materia prima, los productos son retirados del tanque. b) Semicontinuo (fed-batch): son alimentados en cargas sucesivas y el producto no se retira hasta finalizar el proceso. Esto indica que el volumen del medio de reacción varía conforme avanza el proceso. c) Continuo (quimiostatos): son aquellos en los que existe una corriente de entrada y otra de salida, por lo tanto, el volumen de líquido en el interior del fermentador permanece constante. Los biorreactores de tanque agitado para fermentación alcohólica, se caracterizan por tener los siguientes componentes básicos: a) Cuerpo del fermentador: generalmente, se construye en vidrio borosilicato o en acero inoxidable, ya que son químicamente inertes; es decir, no reaccionan con el medio, además, de ser no tóxicos. Se recomienda que los empaques del fermentador sean de neopreno. b) Dispositivo de entrada de nutrientes: tiene la finalidad de suministrar nutrientes al medio de cultivo para que los microorganimos desarrollen adecuadamente sus procesos metabólicos. c) Dispositivo de salida de producto: permite recuperar el producto de interés. Se realiza mediante válvulas y llaves de no retorno. d) Sistema de agitación mecánica: permite la homogeneización del medio de cultivo. e) Sistema de control de pH: permite mantener el pH del medio en condiciones óptimas para el desarrollo de las funciones metabólicas de los microorganismos. f)
Sistema de control de temperatura: formado por sistemas de recirculación de líquidos o por placas intercambiadoras de calor; permite regular la temperatura del sistema. Universidad Abierta y a Distancia de México
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g) Sistema de control antiespumante: Evita la formación de espumas, a través de la incorporación de sustancias químicas especiales para este fin.
Figura 26. Esquema de un fermentador alcohólico. Fuente: Prochemwiki, 2004.
A través de los dispositivos antes descritos, es posible producir etanol hidratado, que tras su purificación, es utilizado como biocarburante. En este punto, es importante destacar que el papel del biotecnólogo en el área de los bioenergéticos es fundamental, ya que de él depende la búsqueda de nuevas materias primas, la optimización de los procesos existentes y el diseño de fermentadores para generación de bioetanol carburante, aspecto que será estudiado en el próximo subtema.
2.2.3. Parámetros de diseño para un fermentador Como hemos visto en los temas anteriores, a nivel mundial, la producción de biocombustibles forma parte de las estrategias de desarrollo, ante el inminente agotamiento del petróleo. La Biotecnología ha impactado fuertemente en esta área, ya Universidad Abierta y a Distancia de México
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que a través de procesos como la biodigestión anaerobia y la fermentación alcohólica, ha contribuido a la generación sostenible de energía. Los biocarburantes generados mediante procesos biotecnológicos, se clasifican, con base a la madurez de las tecnologías de producción, en: A) Biocombustibles de primera generación: incluye al biodiesel, bioetanol y biogás, que provienen de aceites vegetales, cereales, materias primas con azúcares simples (caña de azúcar, frutas, entre otras), residuos agropecuarios, respectivamente. Estos biocarburantes se encuentran en fase de aplicación avanzada. B) Biocombustibles de segunda generación: el bioetanol producido a partir de materiales lignocelulósicos y la generación de biohidrógeno, pertenecen a esta categoría. Su producción se limita a escala experimental. C) Biocombustibles de tercera generación: provienen de cultivos bioenergéticos diseñados, por técnicas de biología molecular, para mejorar las características de la biomasa y tener un mejor rendimiento en los procesos. Ejemplo de ello, son los árboles con bajo contenido de lignina, que permiten ahorrar costos y tiempo de tratamiento, relacionados con la deslignificación. Se encuentra en fase experimental. La producción de bioetanol de primera y segunda generación, requiere del diseño de biorreactores específicos denominados fermentadores. Para el cálculo de sus dimensiones se consideran los siguientes parámetros, que se clasifican en: A) Parámetros del sustrato. Están relacionados con las características físicas y químicas del sustrato a fermentar, tales como: densidad, grados Brix (°Bx) y pH. B) Parámetros de diseño. Involucran factores relacionados con las dimensiones del reactor, por ejemplo: disponibilidad de la materia prima, volumen de dilución, volumen del medio, volumen del fermentador, entre otros. La determinación de los parámetros previamente mencionados, forma parte del proceso de diseño del fermentador, el cual se realiza de acuerdo a las etapas indicadas en la siguiente lista vertical:
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Etapa 1
• Estimación de la disponibilidad de sustrato
• Caracterización fisicoquímica del sustrato Etapa 2 • Acondicionamiento del sustrato Etapa 3
Etapa 4
Etapa 5
• Acondicionamiento del inóculo
• Estimación de las dimensiones del fermentador
Proceso general de diseño de un fermentador. A continuación se detallan cada una de las etapas del proceso de diseño: Primera etapa: Estimación de la disponibilidad de sustrato El primer factor a considerar en el diseño de un fermentador, es el cálculo de la disponibilidad de materias primas, es decir, la biomasa o sustrato con la que se cuenta para la producción de bioetanol. Este cálculo es importante, ya que está directamente relacionado con las dimensiones del biorreactor. La primera etapa de diseño de un fermentador se resume en el siguiente diagrama, donde mp es la materia prima.
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Inicio de diseĂąo
Determinar cantidad de mp disponible
Inicio de segunda etapa de diseĂąo
Diagrama de proceso de primera etapa de diseĂąo de un fermentador. Segunda etapa: CaracterizaciĂłn fisicoquĂmica del sustrato En esta etapa se miden los parĂĄmetros fĂsico-quĂmicos del sustrato a emplearse en el proceso. Su descripciĂłn e importancia se mencionan a continuaciĂłn: A) Densidad (Ď sus). Expresa la masa contenida por unidad de volumen de sustrato. Este parĂĄmetro es importante, ya que su cĂĄlculo permite el ajuste de la diluciĂłn del sustrato. Se calcula mediante la ecuaciĂłn: đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; =
đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;
Donde: Ď sus=densidad del sustrato; kg/L Msus=masa del sustrato; kg Vsus=Volumen del sustrato; L B) Grados Brix del sustrato (°Bxs). Indica los gramos de sacarosa disponibles por gramos de sustrato, que son susceptibles de transformarse en bioetanol, los cuales deben oscilar entre 8 y 12. Se determinan experimentalmente. C) pH. Indica el grado de acidez o alcalinidad del sustrato. Se determinan experimentalmente. La estimaciĂłn de los parĂĄmetros previamente descritos es fundamental, ya que permite diagnosticar si el sustrato, para la producciĂłn de bioetanol, cumple con las caracterĂsticas mĂnimas necesarias de calidad que garanticen el correcto desarrollo de los procesos metabĂłlicos de los microorganismos; de lo contrario, serĂĄ necesario realizar ajustes a dichas variables.
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La segunda etapa de diseĂąo de un fermentador se resume en el siguiente diagrama. Inicio de segunda etapa de diseĂąo
Determinar densidad
Determinar °Bx
Determinar pH
Inicio de tercera etapa de diseĂąo Diagrama de proceso de segunda etapa de diseĂąo de un fermentador. Tercera etapa: Acondicionamiento del sustrato Una vez caracterizado el sustrato, se realizan las estimaciones necesarias para su acondicionamiento, de tal manera que el microorganismo empleado para la fermentaciĂłn, disponga del ambiente ideal para el desarrollo de sus procesos metabĂłlicos. Se determina: A) Volumen de agua necesaria para la diluciĂłn (VA). Este parĂĄmetro se determina en aquellos casos en los que los °Bx del sustrato estĂŠn por encima del rango establecido (8-12). Para lo cual se utiliza la siguiente expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ??´ = đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; (1 â&#x2C6;&#x2019;
đ??ľđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2018; ) đ??ľđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;
Donde: VA=volumen de agua necesaria para la diluciĂłn; L Brixs=grados brix del sustrato Brixd=grados brix requeridos en la diluciĂłn
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B) Volumen de la dilución (VD). Indica el volumen final de la dilución. Se determina mediante la sumatoria de los volúmenes del sustrato (Vsus) y del agua a adicionar (VA), es decir: 𝑉𝐷 = 𝑉𝑠𝑢𝑠 + 𝑉𝐴 Donde: VD=volumen de dilución; L C) pH. El valor óptimo de pH dependerá del microorganismo empleado para la fermentación. Este parámetro se ajusta mediante la adición de ácido clorhídrico, o de hidróxido de sodio, dependiendo de las condiciones del sustrato. La tercera etapa de diseño de un fermentador se resume en el siguiente diagrama.
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Inicio de tercera etapa de diseño
¿Los Brixs se encuentran entre 8-12?
SI
NO Calcular VA
Calcular VD
SI
¿El pH es óptimo?
NO Ajustar con HCl o NaOH
Inicio de cuarta etapa de diseño Diagrama de proceso de tercera etapa de diseño de un fermentador. Cuarta etapa: Acondicionamiento del inóculo Para realizar el cálculo de las dimensiones del fermentador, es necesario conocer tanto el volumen de sustrato acondicionado (VD), como el de inóculo requerido para efectuar la fermentación. Para ello, se considera que el volumen de inóculo (Vinóculo) debe representar el 8% v/v del volumen de dilución; es decir: Universidad Abierta y a Distancia de México
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𝑉𝑖𝑛ó𝑐𝑢𝑙𝑜 = (𝑉𝐷 )(0.08) Donde Vinóculo=Volumen del inóculo; L Una vez realizado el cálculo del volumen de inóculo, se efectúan las estimaciones para su acondicionamiento, cuyo objetivo es determinar la cantidad de nutrientes necesarios para que los microorganismos realicen su metabolismo adecuadamente. Dado que la principal levadura usada para la fermentación alcohólica es el Saccharomyces cerevisiae, la siguiente tabla presenta sus requerimientos nutricionales: Tabla 6. Nutrientes requeridos para la preparación del inóculo con Saccharomyces cerevisiae Sustancia Urea Cloruro de magnesio Cloruro de sodio Levadura Carbonato de sodio Sulfato de hierro Sulfato de manganeso Fuente: Martínez, 2008.
Cantidades para 1 mL de inóculo (g) 0.0595600 0.0021400 0.0002720 0.0109080 0.0006940 0.0009320 0.0000208
En la práctica, la preparación del inóculo obedece a los siguientes pasos: 1. Mezclar los componentes de la tabla anterior en agua durante 15 minutos a una temperatura de 30°C, con el escalado correspondiente. 2. Colocar la levadura en agua a 30°C por 5 minutos. 3. Combinar las mezclas descritas en los puntos anteriores y dejar en reposo por 24 horas. La cuarta etapa de diseño de un fermentador se resume en el siguiente diagrama.
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Inicio de cuarta etapa de diseño
Calcular Vinóculo
Calcular nutrientes
Inicio de quinta etapa de diseño
Diagrama de proceso de cuarta etapa de diseño de un fermentador. Quinta etapa: Estimación de las dimensiones del fermentador Una vez que se ha reunido la información respecto a: la disponibilidad de la materia prima, la composición fisicoquímica del sustrato y del acondicionamiento del sustrato y del inóculo, así como del tiempo de retención y la temperatura óptima de proceso; se dispone de los medios para efectuar el cálculo de las dimensiones del fermentador, que incluye los siguientes parámetros: A) Volumen del medio (VM). Indica el volumen del medio que se agregará al fermentador, el cual corresponde a la sumatoria del volumen de sustrato acondicionado (volumen de dilución, VD) y el volumen de inóculo (Vinóculo), es decir: 𝑉𝑀 = 𝑉𝐷 + 𝑉𝑖𝑛ó𝑐𝑢𝑙𝑜 Donde VM=Volumen de medio a fermentar; L B) Volumen de seguridad (VS). Para el cálculo del volumen total del fermentador, se considera un 30% como factor de seguridad. 𝑉𝑆 = (𝑉𝑀 )(0.3) Donde VS=Volumen de seguridad; L Universidad Abierta y a Distancia de México
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C) Volumen del fermentador (Vfermentador). El volumen total del fermentador se calcula a partir del volumen del medio y del de seguridad, de acuerdo a la siguiente expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2020; Donde Vfermentador=Volumen del fermentador; L D) Dimensiones del fermentador. Para determinar las dimensiones de un fermentador cilĂndrico, se considera que: A=ĂĄrea de la base del fermentador; m2 D=diĂĄmetro de la base del fermentador; m r=radio de la base del fermentador; m h=altura del fermentador; m Vfermentador=volumen del fermentador; m3 SĂ el ĂĄrea de la base del fermentador estĂĄ dada por: đ??´ = đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x; 2 Y se considera que las expresiones del diĂĄmetro y del radio son: đ??ˇ = 2đ?&#x2018;&#x; â&#x2C6;´ đ?&#x2018;&#x; =
đ??ˇ 2
Entonces el ĂĄrea de la base del fermentador se determina mediante la ecuaciĂłn: đ?&#x2018;¨=đ??&#x2026;
đ?&#x2018;Ťđ?&#x;? đ??&#x2026; = đ?&#x2018;Ťđ?&#x;? đ?&#x;&#x2019; đ?&#x;&#x2019;
SĂ el volumen del fermentador estĂĄ en funciĂłn del ĂĄrea de la base y de la altura, entonces: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = đ??´â&#x201E;&#x17D; Sustituyendo la expresiĂłn del ĂĄrea de la base en la ecuaciĂłn del volumen del fermentador se tiene: đ?&#x153;&#x2039; đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = đ??ˇ 2 â&#x201E;&#x17D; 4 Universidad Abierta y a Distancia de MĂŠxico
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Si se considera el criterio h/D=2 entonces h=2D, por lo tanto: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; =
đ?&#x153;&#x2039; 2 đ?&#x153;&#x2039; đ??ˇ 2đ??ˇ â&#x2C6;´ đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = đ??ˇ 3 4 2
Despejando el diĂĄmetro de la base del fermentador se tiene: đ?&#x;&#x2018;
đ?&#x2018;Ť= â&#x2C6;&#x161;
đ?&#x;?đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x2021;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C; đ??&#x2026;
La quinta etapa de diseĂąo de un fermentador se resume en el siguiente diagrama.
Inicio de quinta etapa de diseĂąo
Calcular VM
Calcular VS
Calcular Vfermentador
Calcular las dimensiones del fermentador
Fin de diseĂąo Diagrama de proceso de quinta etapa de diseĂąo de un fermentador. Otras estimaciones pertinentes
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El tiempo en que está en contacto el microorganismo con el sustrato (tiempo de retención), así como la temperatura óptima del proceso, se determinan experimentalmente, a través de una cinética de producción de etanol. Para ilustrar el diseño de un fermentador, se propone el siguiente ejemplo:
Caso de estudio Como parte de las estrategias de crecimiento económico y preservación del ambiente de una región, se ha propuesto la implementación de una planta de producción de bioetanol a partir de un cultivo energético diseñado para generar altas concentraciones de azúcares simples (sacarosa). La primera etapa en el diseño de dicha planta, implica el estudio experimental del proceso de fermentación. Para ello, se sembró y cultivó, bajo condiciones controladas, la especie en cuestión. La obtención del sustrato, para la investigación, se obtuvo de 30 frutos del cultivo, a los cuales se les lavó con agua destilada a 40°C, se les descascarilló, molió y prenso. El sustrato obtenido, se esterilizó para su fermentación y caracterización. Se encontró que: a) b) c) d)
Cantidad de sustrato generada por fruto: 115.02 g Densidad del sustrato: 0.875 kg/L °Bx del sustrato: 14.5 pH: 4.5
Para el diseño del fermentador a utilizar, en el estudio experimental, se consideró que: e) f) g) h) i) j) k)
Régimen del biorreactor: discontinuo (lote). Forma del biorreactor: cilíndrica. °Bx del medio: 8 Levadura: Saccharomyces cerevisiae Temperatura óptima de procesamiento: 30°C Tiempo de retención: 60 horas pH óptimo: 4.4-4.6
Para la preparación del inóculo, se consideraron los siguientes nutrientes para 1 mL de inóculo:
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Urea Cloruro de magnesio Cloruro de sodio Levadura Carbonato de sodio Sulfato de hierro Sulfato de manganeso
0.0595600 g 0.0021400 g 0.0002720 g 0.0109080 g 0.0006940 g 0.0009320 g 0.0000208 g
Con base en las etapas de diseĂąo y la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, calcule las dimensiones del fermentador. SoluciĂłn Para el diseĂąo del fermentador, de acuerdo a lo previamente estudiado, se seguirĂĄn los siguientes pasos: 1. 2. 3. 4. 5.
EstimaciĂłn de la disponibilidad de la materia prima. CaracterizaciĂłn de la materia prima. Acondicionamiento del sustrato. Acondicionamiento del sustrato. EstimaciĂłn de las dimensiones del fermentador.
ď&#x201A;ˇ
EstimaciĂłn de la disponibilidad de la materia prima
El primer factor a considerar en el diseĂąo de un fermentador, es el cĂĄlculo de la disponibilidad de la materia prima, es decir, la biomasa o sustrato con la que se cuenta para la producciĂłn de bioetanol. De acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, para este cĂĄlculo se sabe que se cuenta de 30 frutos y que cada uno rinde115.02 g de sustrato esterilizado; por lo tanto: đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; = (30)(115.02 đ?&#x2018;&#x201D;) đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x201D; = đ?&#x;&#x2018;, đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2019;&#x2C6; = đ?&#x;&#x2018;. đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C; đ?&#x2019;&#x152;đ?&#x2019;&#x2C6; ď&#x201A;ˇ
CaracterizaciĂłn de la materia prima
Una vez que se conoce la cantidad de biomasa disponible para el proceso, se realiza su caracterizaciĂłn fisicoquĂmica, a travĂŠs de pruebas de laboratorio. Tras realizar los ensayos correspondientes, de acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, se sabe que la materia prima tiene: 4.5 de pH, 14.5°Bx y una densidad de 0.875 kg/L.
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Conociendo la densidad del sustrato, es posible determinar el volumen disponible de sustrato (Vsus) para la fermentaciĂłn, es decir: đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; =
đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; =
đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; â&#x2C6;´ đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; = đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;
3.45 đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; = 3.92 đ??ż 0.875 đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;â &#x201E;đ??ż đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x201D; = đ?&#x;&#x2018;. đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;? đ?&#x2018;ł
ď&#x201A;ˇ
Acondicionamiento del sustrato
Conforme a la caracterizaciĂłn fisicoquĂmica del sustrato, este posee 14.5°Bx, sin embargo, acorde a lo expuesto en el caso de estudio, para que el proceso metabĂłlico de la levadura se lleve a cabo de forma correcta, se requiere que el medio contenga 8°Bx, por lo que serĂĄ necesario ajustar este parĂĄmetro. Para ello, se diluye el sustrato a travĂŠs de la adiciĂłn de agua. El cĂĄlculo del volumen de agua necesaria para la diluciĂłn (VA), se muestra a continuaciĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ??´ = đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; (1 â&#x2C6;&#x2019;
đ??ľđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2018; ) đ??ľđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;
đ?&#x2018;&#x2030;đ??´ = (3.92 đ??ż) (1 â&#x2C6;&#x2019;
8°đ??ľđ?&#x2018;Ľ ) 14.5°đ??ľđ?&#x2018;Ľ
đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;¨ = đ?&#x;?. đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2018;ł đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2C6;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x201A;
Por lo tanto, el volumen de la diluciĂłn (VD), serĂĄ: đ?&#x2018;&#x2030;đ??ˇ = đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018; + đ?&#x2018;&#x2030;đ??´ đ?&#x2018;&#x2030;đ??ˇ = 3.92 đ??ż + 1.76 đ??ż = 5.68 đ??ż đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;Ť = đ?&#x;&#x201C;. đ?&#x;&#x201D;đ?&#x;&#x2013; đ?&#x2018;ł Otro parĂĄmetro considerado durante el acondicionamiento, es el ajuste del pH del medio. De acuerdo el estudio de cinĂŠtica, el valor Ăłptimo de pH para el proceso es de 4.4-4.6. Dado que, el sustrato tiene pH de 4.5 (determinado experimentalmente), no serĂĄ necesaria la adiciĂłn de ĂĄcidos o bases para ajustar este valor. Universidad Abierta y a Distancia de MĂŠxico
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ď&#x201A;ˇ
Acondicionamiento del inĂłculo
Dado que para realizar el cĂĄlculo de las dimensiones del fermentador, es necesario conocer el volumen de inĂłculo (VinĂłculo) y de sustrato acondicionado (VD), por lo que se procede a su determinaciĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;Ăłđ?&#x2018;?đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153; = (đ?&#x2018;&#x2030;đ??ˇ )(0.08) đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;Ăłđ?&#x2018;?đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153; = (5.68 đ??ż)(0.08) đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?Ăłđ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;? = đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x2019; đ?&#x2018;ł = đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x2019;. đ?&#x;&#x2019; đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2018;ł Una vez realizado el cĂĄlculo del volumen de inĂłculo, se determina la cantidad de nutrientes necesarios para que el Saccharomyces cerevisiae realice su metabolismo adecuadamente. De acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, dicha levadura requiere, para cada mililitro de inĂłculo:
Levadura Urea Cloruro de magnesio Cloruro de sodio Carbonato de sodio Sulfato de hierro Sulfato de manganeso
0.0109080 g 0.0595600 g 0.0021400 g 0.0002720 g 0.0006940 g 0.0009320 g 0.0000208 g
Por tanto, para 454.4 mL de inĂłculo, se necesitarĂĄn: đ?&#x2018;łđ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x2014;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x201A; = (đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x2013;)(đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x2019;. đ?&#x;&#x2019;) = đ?&#x;&#x2019;. đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2019;&#x2C6; đ?&#x2018;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D; = (0.05956)(454.4) = 27.06 đ?&#x2018;&#x201D; đ??śđ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153; = (0.00214)(454.4) = 0.97 đ?&#x2018;&#x201D; đ??śđ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153; = (0.000272)(454.4) = 0.12 đ?&#x2018;&#x201D; đ??śđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153; = (0.000694)(454.4) = 0.32 đ?&#x2018;&#x201D; đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153; = (0.000932)(454.4) = 0.42 đ?&#x2018;&#x201D;
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đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153; = (0.0000208)(454.4) = 0.01 đ?&#x2018;&#x201D; El tiempo de retenciĂłn y la temperatura Ăłptima a la que se llevarĂĄ a cabo la fermentaciĂłn, se determinaron experimentalmente, a travĂŠs dela cinĂŠtica de producciĂłn de etanol, los cuales son de 60 horas a 30°C. ď&#x201A;ˇ
EstimaciĂłn de las dimensiones del fermentador
Una vez que se cuenta con informaciĂłn sobre la disponibilidad de la materia prima, las caracterĂsticas fisicoquĂmicas del sustrato y de su acondicionamiento, y del ajuste del inĂłculo; se procede al cĂĄlculo de las dimensiones del fermentador. Para ello, en primer lugar, se determina el volumen del medio a fermentar (VM), es decir: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x20AC; = đ?&#x2018;&#x2030;đ??ˇ + đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;Ăłđ?&#x2018;?đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x20AC; = 5.68 đ??ż + 0.4544 đ??ż = 6.13 đ??ż đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;´ = đ?&#x;&#x201D;. đ?&#x;?đ?&#x;&#x2018; đ?&#x2018;ł Dado que, para el cĂĄlculo del volumen total del fermentador, se considera un 30% como factor de seguridad, el volumen de seguridad (VS), serĂĄ de: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2020; = (đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x20AC; )(0.3) đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2020; = (6.13 đ??ż)(0.3) đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;ş = đ?&#x;?. đ?&#x;&#x2013;đ?&#x;&#x2019; đ?&#x2018;ł Por lo que, el volumen total del fermentador (Vfermentador), serĂĄ de: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2020; đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = 6.13 đ??ż + 1.84 đ??ż đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x2021;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C; = đ?&#x;&#x2022;. đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x2022; đ?&#x2018;ł = đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x2022; đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;&#x2018;
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Finalmente, el diĂĄmetro (D) del fermentador serĂĄ: 3
đ??ˇ=â&#x2C6;&#x161;
2đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x153;&#x2039;
3 (2)(0.00797 đ?&#x2018;&#x161; 3 ) đ??ˇ=â&#x2C6;&#x161; đ?&#x153;&#x2039;
đ?&#x2018;Ť = đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;?đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;?đ?&#x;&#x2013; đ?&#x2019;&#x17D; = đ?&#x;?đ?&#x;&#x2022;. đ?&#x;?đ?&#x;&#x2013; đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x17D;
Con una altura (h) de: â&#x201E;&#x17D; = 2đ??ˇ â&#x201E;&#x17D; = (2)(0.1718 đ?&#x2018;&#x161;) đ?&#x2019;&#x2030; = đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2019;&#x17D; = đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;&#x2019;. đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x17D; Lo antes descrito representa una propuesta metodolĂłgica de la forma en que pueden calcularse las dimensiones de un fermentador, el cual aplica para los tres tipos de materia prima estudiados (con azĂşcares de disponibilidad inmediata, amilĂĄceas y lignocelulĂłsicas). Lo que diferencia a los diversos procesos de producciĂłn de bioetanol, son los tratamientos previos a la fermentaciĂłn que se aplican a la biomasa, por ejemplo: A) Para la fermentaciĂłn del sustrato proveniente de materias con azĂşcares de disponibilidad inmediata, se requieren: un acondicionamiento y un tratamiento fisicoquĂmico. B) Para la fermentaciĂłn del sustrato proveniente de materiales amilĂĄceos, se necesitan: un acondicionamiento y una hidrĂłlisis enzimĂĄtica (que involucra una licuefacciĂłn y una sacarificaciĂłn) o ĂĄcida. C) Para la fermentaciĂłn del sustrato proveniente de materiales lignocelulĂłsicos, se precisan: una deslignificaciĂłn (pretratamiento) y una hidrĂłlisis enzimĂĄtica o ĂĄcida. En todos los casos, despuĂŠs de la fermentaciĂłn, el bioetanol hidratado, se destila, pervapora y se pasa por tamices moleculares, de tal forma que alcance una pureza del 99%.
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Para concluir el tema, es importante destacar que la tecnología de producción de bioetanol mediante fermentadores, es actualmente, una de las áreas de desarrollo más importantes de la Biotecnología energética, ya que contribuye a la disminución del uso de los combustibles fósiles, lo que impacta, en las estrategias de crecimiento económico de los países al haber diversificación de las fuentes de energía, y en la preservación del ambiente, debido a que su combustión emite menos compuestos tóxicos al medio. Para seguir documentándote y comprendiendo el subtema, es recomendable que realices la lectura del artículo Fermentación alcohólica: una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas, de Vázquez, H. J. y Dacosta, O. (2007). Este documento muestra como la biotecnología ofrece diversas opciones para la generación de energías renovables, destacando la producción de bioetanol, el cual se usa en la preparación de carburantes para vehículos automotores. En este artículo se presenta una propuesta para la obtención de este combustible mediante una unidad de fermentación piloto experimental de 100 L. También puedes leer el artículo Producción de bioetanol a partir de subproductos agroindustriales lignocelulósicos de Sánchez et al., (2010), que te permitirá profundizar en los pretratamientos aplicados a los materiales lignocelulósicos. Ambos documentos se encuentran en la sección de Material de apoyo.
2.3. Fotobiorreactores para producción de biohidrógeno Como se comentó en el desarrollo de los temas anteriores, el objetivo de la Biotecnología energética es generar biocarburantes de forma sostenible, a través del uso de microorganismos, del diseño de biorreactores específicos y de la optimización de los parámetros que intervienen en los procesos de producción. Como parte de las líneas de desarrollo de esta rama de la Biotecnología, se encuentra la producción de biohidrógeno (H2) mediante sistemas biológicos renovables, económicamente viables y limpios; como una alternativa para cubrir las necesidades energéticas mundiales, ya que con el uso de este gas es posible generar electricidad por medio de pilas de combustible.
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Sin embargo, a la fecha las principales fuentes de obtención de este vector son los hidrocarburos fósiles y la electrólisis del agua, mismos que requieren grandes consumos energéticos e inversiones monetarias; además del gran impacto ambiental adverso que supone su procesamiento; por lo que, se encuentran en desarrollo investigaciones, a cargo de biotecnólogos y microbiólogos, que pretenden manipular organismos vivos (como las microalgas), diseñar fotobiorreactores para su rápida reproducción y optimizar los procesos de generación de biohidrógeno a partir de microalgas. Por ello, a través del estudio de los tópicos: mecanismos de producción de biohidrógeno y obtención por biofotólisis indirecta; tendrás las herramientas para comprender los fundamentos teóricos de su generación mediante el uso de biorreactores específicos denominados fotobiorreactores, dado que es tarea del biotecnólogo su correcto diseño y control. Para ello, deberás tomar como base los conceptos abordados al respecto, en la asignatura de Ingeniería de Biorreactores I, donde se indicó que los fotobiorreactores son dispositivos que proporcionan las condiciones necesarias para que las microalgas o bacterias ahí dispuestas, desarrollen de manera adecuada sus procesos metabólicos, a través de la fijación de dióxido de carbono (CO2) y del establecimiento de un fotoperiodo (los ciclos de luz y oscuridad a los que se somete el organismo), que permitirá la obtención del producto de interés, en este caso biohidrógeno, de forma eficaz. Tal como se trató en la asignatura anterior, existen diversos tipos de fotobiorreactores, entre los que se encuentran:
Estanques abiertos o raceways. Comúnmente se conocen como lagos, lagunas o estanques, ya sean naturales o artificiales.
Figura 27. Sistema abierto para cultivo de microalgas. Fuente: EnerbioeAlgae, s.f.
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Tubulares. Están formados por tubos individuales, o bien, en configuración de serpentín tubular dispuesto de manera horizontal, vertical o inclinada.
Figura 28. Imagen de un fotobiorreactor tubular. Fuente: CCI, 2009.
De columna de burbujeo. Están formados por columnas verticales cilíndricas.
Figura 29. Imagen de un fotobiorreactor de columna vertical. Fuente: Puerto realWeb, 2013.
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De placa plana. Están formados por grandes superficies iluminadas, por lo que son adecuados para cultivos en el exterior.
Figura 30. Imagen de un fotobiorreactor de capa plana. Fuente: Sciunt, 2011.
Recuerda que los fotobiorreactores están constituidos por: un sistema de iluminación, de intercambio de gases, de mezclado y de nutrientes; además de sensores que permiten monitorear parámetros como: oxígeno disuelto, CO2 disuelto, pH y temperatura; mismos que serán discutidos en el desarrollo del tema.
2.3.1. Mecanismos de producción de biohidrógeno Tomando como contexto la información planteada en la introducción del tema, el hidrógeno H2 representa una fuente alterna de producción de energía, con fines de generación de electricidad y para su empleo en el trasporte (en los denominados autos eléctricos o híbridos), ante el amenazador agotamiento de los recursos fósiles. Aunado a ello, la degradación ambiental y los cambios en el clima resultantes del uso desmedido y de la quema de los combustibles convencionales, ha llevado a los especialistas en el área de la biotecnología, a proponer el H2, obtenido de sistemas biológicos, como una de las fuentes de energía más importantes del futuro. Actualmente, existen diversas materias primas para su producción, destacando los combustibles fósiles, tales como: el gas natural, el carbón y los derivados del petróleo; así como su generación a partir de la electrólisis del agua. Existen diversos procesos de producción de hidrógeno a partir de los materiales antes mencionados, entre los que se encuentran:
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a) Reformado con vapor de agua: se emplean reactores tubulares por los que circula vapor de agua y gas natural (metano). Se aplican temperaturas elevadas (900°C), en presencia de un catalizador de nĂquel, para generar la siguiente reacciĂłn: đ??śđ??ť4
+
Metano
đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A;
â&#x2020;&#x2019;
Agua
đ??śđ?&#x2018;&#x201A;
+
MonĂłxido de carbono
3đ??ť2 Hidrogeno
Posteriormente, el gas se dirige a una unidad de desplazamiento de CO, en la que se lleva a cabo la reacciĂłn a continuaciĂłn escrita, en presencia de un catalizador de cobre: đ??śđ?&#x2018;&#x201A;
+
Metano
đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A;
â&#x2020;&#x2019;
Agua
đ??śđ?&#x2018;&#x201A;2
+
DiĂłxido de carbono
đ??ť2 Hidrogeno
b) OxidaciĂłn parcial: en presencia de oxĂgeno puro (O2), el carbono presente en los hidrocarburos, se oxida hasta la producciĂłn de CO, quedando libre el hidrĂłgeno: 2đ??śđ??ť4 Metano
+
đ?&#x2018;&#x201A;2 Oxigeno
â&#x2020;&#x2019;
2đ??śđ?&#x2018;&#x201A;
+
MonĂłxido de carbono
4đ??ť2 HidrĂłgeno
c) PirĂłlisis: por acciĂłn de la temperatura (450°C) en ausencia de oxĂgeno, se produce la descomposiciĂłn de un combustible sĂłlido (carbĂłn), para generar H2, CO y CO2. d) GasificaciĂłn: se realiza la combustiĂłn de carbĂłn, en defecto de oxĂgeno (10-50%) a una temperatura entre 700 y 1,500°C, obteniĂŠndose gas pobre (formado por 2530% de CO, 65-70% de nitrĂłgeno (N2) y trazas O2 y CO2). Tras este proceso se realiza una reacciĂłn de desplazamiento para obtener H2. Sin embargo, los procesos previamente descritos, son econĂłmicamente deficientes e implican la emisiĂłn de grandes cantidades de contaminantes al ambiente. Por ello, la producciĂłn biolĂłgica de hidrĂłgeno es una alternativa prometedora a los mĂŠtodos actuales y es objeto de programas de investigaciĂłn, en otras palabras, la tecnologĂa existente para este fin, se encuentra en etapa de desarrollo a nivel laboratorio y de planta piloto.
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El biohidrógeno es el hidrógeno obtenido mediante los procesos metabólicos de organismos tales como: microalgas, bacterias o arqueas; y que se emplea como medio para la generación de energía, con fines de electrificación o automoción. De acuerdo a Bedoya et al. (2007), existen cinco mecanismos para su producción biológica: 1. Biofotólisis directa. A través del proceso de la fotosíntesis, las algas verdes utilizan el agua y la luz solar para producir H2 y O2. Dichas algas pasan por un periodo de incubación anaeróbica en oscuridad, a fin de inducir en ellas, la síntesis de enzimas involucradas en el metabolismo del H2, como las hidrogenasas reversibles e irreversibles. Estas canalizan la producción de dos protones (2H+) a H2. 2. Biofotólisis indirecta. Se lleva a cabo por cianobacterias y algas verde-azules, donde a partir del proceso fotosintético, el CO2 es fijado a sustratos ricos en hidrógeno endógeno generando luego H2 cuando estos microorganismo se incuban en condiciones anaerobias. En el proceso se requiere un sistema de cultivo inicial para la fotosíntesis normal y otro para la generación de H2. Las cianobacterias poseen varias enzimas involucradas directamente en el metabolismo del H2. La más importante, la nitrogenasa, cataliza la producción de H2 en el proceso de fijación de N2. Otra enzima es la hidrogenasa captadora, la cual oxida el H2 que sintetiza la nitrogenasa y, por último, están las hidrogenasas bidireccionales que tiene la habilidad de oxidar y sintetizar H2.
Figura 31. Imagen de cianobacterias. Fuente: Kalipedia, s.f.
3. Fotofermentación. En este proceso se utilizan bacterias púrpuras no sulfurosas que producen H2, catalizado por la nitrogenasa bajo condiciones deficientes de N2, usando luz y compuestos reducidos, como ácidos orgánicos, que muchas veces están contenidos en sustancias de desecho. En este proceso también interviene la hidrogenasa captadora de hidrógeno, la cual compite por el H2 disponible en el medio, reduciendo la actividad de la nitrogenasa al quedar sin sustrato. Uno de los parámetros que más interviene en la fotofermentación es la
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intensidad de la luz, pues un incremento en esta afecta de forma simultánea la velocidad de producción y el rendimiento del H2.
Figura 32. Imagen de bacterias purpuras no sulfurosas. Fuente: Dreyfus, g., 1996.
4. Reacción de intercambio gaseoso (Water gas shift reaction). Ciertas bacterias fotoheterotróficas pueden crecer en la oscuridad usando CO como única fuente de carbono para generar ATP, con la liberación de H2 y CO2. En estos microorganismos la producción de H2 es mediada por reacciones enzimáticas, las cuales se dan a temperaturas y presiones bajas. La enzima que se encarga de atrapar el CO y oxidarlo es la oxido-reductasa-CO-deshidrogenasa (CODH), que es parte de un complejo enzimático unido a la membrana. 5. Fermentación oscura. La producción de H2 por este método está dada por bacterias anaeróbicas que crecen en oscuridad y usan sustratos ricos en carbohidratos. Los subproductos de la fermentación lo constituyen los ácidos acético y butírico, por lo que los rendimientos prácticos de H2 son de alrededor de 2 mol H2/mol glucosa. Este proceso se lleva a cabo a diferentes temperaturas, desde mesófilas, hasta termófilas, produciéndose biogás que contiene H2, CO2, H2S (ácido sulfhídrico) y, en algunos casos, CH4.
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Figura 33. Bacterias anaerobias utilizadas en fermentación oscura. Fuente: Poningular, 2011.
Múltiples investigaciones en torno a los mecanismos antes descritos, prueban que existen debilidades para lograr su escalado. Por ejemplo: aunque en la fotofermentación se pueden usar diversos materiales de desecho como sustrato, presenta una baja eficiencia, ya que el oxígeno inhibe la generación de hidrógeno (la actividad de la hidrogenasa), por lo que es imprescindible el mantenimiento de condiciones anaerobias; en el caso de la fermentación oscura se ha observado que a medida que se incrementa la producción de H2, el proceso de fermentación se vuelve termodinámicamente desfavorable; en la biofotólisis directa, la mezcla obtenida de O2 e H2, es inflamable y explosiva, por lo que su manipulación resulta peligrosa, difícil y costosa, además el rendimiento del proceso es bajo debido a que las enzimas involucradas se inhiben fácilmente en la presencia de O2. En el caso particular de la reacción de intercambio gaseoso se requieren grandes inversiones para mantener temperaturas y presiones bajas; finalmente, en la biofotólisis indirecta, es necesario remover el O2 producido para prevenir la inhibición de la nitrogenasa y la hidrogenasa. A pesar de ello, este último mecanismo se ha desarrollado ampliamente en las últimas décadas, ya que se ha demostrado que mediante la separación temporal de las reacciones de generación de H2 de aquellas en las que interviene el O2 (mostradas a continuación), permite evitar la inhibición de las enzimas e incrementar la eficiencia del proceso. 6𝐻2 𝑂 Agua
+
𝐶02 Dióxido de carbono
Luz
𝐶6 𝐻12 𝑂6 Glucosa
𝐶6 𝐻12 𝑂6
+
6𝐻2 𝑂
Luz
12𝐻2
6𝐶𝑂2
Hidrógeno
Dióxido de carbono
Glucosa
Agua
+
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6𝑂2 oxígeno
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Por lo que es necesario seguir trabajando en el diseĂąo de los dispositivos en los que se efectuarĂĄ dicho mecanismo, con la finalidad de llevar este proceso a nivel industrial. Para seguir documentĂĄndote y comprendiendo el subtema, es recomendable que realices la lectura del documento Estado del arte sobre la obtenciĂłn de hidrĂłgeno molecular a partir de algas verdes, de Ayala, M. C. M. y Grandett, C. C. C. (2012); en sus pĂĄginas 31 a 51 podrĂĄs encontrar las caracterĂsticas de los bioprocesos de producciĂłn de hidrĂłgeno a partir de algas verdes. Se encuentra disponible en la secciĂłn de Material de apoyo.
2.3.2. DiseĂąo para obtenciĂłn de hidrĂłgeno por biofotĂłlisis indirecta Tal como se comentĂł en el subtema anterior, uno de los mecanismos que se estĂĄ desarrollado actualmente, para la producciĂłn de biohidrĂłgeno, es la biofotĂłlisis indirecta, la cual se lleva a cabo, principalmente, por cianobacterias y algas verde-azules; las que aprovechas la radiaciĂłn solar, para que, a travĂŠs del proceso de la fotosĂntesis, generen compuestos ricos en hidrĂłgeno, por ejemplo la glucosa.
6đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A; agua
Luz
+ đ??ś02 â&#x2020;&#x2019; diĂłxido de carbono
đ??ś6 đ??ť12 đ?&#x2018;&#x201A;6 glucosa
+
6đ?&#x2018;&#x201A;2 oxĂgeno
En una etapa subsecuente, dichos microorganismos, con ayuda de enzimas como las nitrogenasas e hidrogenasas, en condiciones anaerobias, convierten la glucosa en presencia de agua y luz, en H2 y CO2.
đ??ś6 đ??ť12 đ?&#x2018;&#x201A;6 glucosa
+
6đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A; agua
Luz
â&#x2020;&#x2019;
12đ??ť2 hidrĂłgeno
+
6đ??śđ?&#x2018;&#x201A;2 diĂłxido de carbono
Este proceso ha sido estudiado por cerca de tres dĂŠcadas y se ha revelado que la eficiencia de fotoconversiĂłn de agua en hidrĂłgeno es influenciada por muchos factores, siendo la intensidad de luz, el fotoperiodo, asĂ como los niveles de oxĂgeno y diĂłxido de carbono en el medio de cultivo los mĂĄs importantes (Seijas et al., 2010).
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Actualmente, se encuentran en desarrollo los dispositivos de cultivo, a nivel laboratorio, de organismos fotoautotróficos, en los que se consideran los parámetros antes mencionados, para la generación de biohidrógeno por biofotólisis indirecta, como medio para la generación de energía, con fines de electrificación. Las etapas consideradas en la obtención de biohidrógeno por biofotólisis indirecta y el diseño de un fotobiorreactor con este fin, se resumen en la siguiente lista vertical:
• Elección del microorganismo fotoautotrófico Etapa 1 • Determinación experimental de los parámetros de cultivo Etapa 2 • Estimación de las dimensiones del fotobiorreactor Etapa 3
Proceso general de obtención de biohidrógeno y diseño de fotobiorreactor. A continuación se detallan cada una de las etapas del proceso: Primera etapa: Elección del microorganismo fotoautotrófico El primer paso en el diseño de un fotobiorreactor para la producción de biohidrógeno por biofotólisis indirecta, consiste en la elección del microorganismo fotoautotrófico. Se suelen considerar factores como: costo, disponibilidad, selectividad, facilidad de manipulación, productividad, entre otros. La cianobacterias más utilizada con este fin son: Arthrospira jenneri y Spirulina sp. La primera etapa de diseño de un fotobiorreactor se resume en el siguiente diagrama:
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Inicio de diseño
Elegir el microorganismo fotoautotrófico
Inicio de segunda etapa de diseño
Diagrama de proceso de la primera etapa de diseño de un fotobiorreactor. Segunda etapa: Determinación experimental de los parámetros de cultivo Una vez seleccionada la especie de cianobacteria o alga verde-azul a utilizar, se determinan experimentalmente los parámetros considerados para el control de las condiciones de cultivo del microorganismo fotoautotrófico. Entre ellos se encuentran: A) Concentración de sustrato. Se determina a través de pruebas de laboratorio (cinéticas) que midan el consumo de la materia prima, o bien, la generación de H2, a partir de diversas concentraciones de sustrato, manteniendo fija la concentración del microorganismo, la temperatura y el pH. Se ha encontrado que se favorece la producción de H2, con biomasa que contiene altas concentraciones de carbohidratos sencillos, tales como la glucosa. B) Temperatura. Dependerá del rango óptimo del microorganismo fotoautotrófico. Para su determinación se mide la producción de H2 a diferentes temperaturas, manteniendo constante la concentración de sustrato, de inóculo y el pH. Temperaturas entre 25-40°C favorecen el proceso. C) Nutrientes. La concentración de elementos traza que favorezcan el metabolismo y producción de H2, dependerá del microorganismo fotoautotrófico empleado para este fin. Se suelen adicionar: nitrógeno, fósforo y otros minerales inorgánicos (Fe, Co y Ni). D) Concentración del inóculo. Se determina realizando cinéticas de producción de H2, en las que se varía la cantidad del microorganismo fotoautotrófico en el medio; manteniendo constante la concentración de sustrato, la temperatura y el pH. Universidad Abierta y a Distancia de México
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E) pH. Dependerá del pH óptimo del microorganismo fotoautotrófico utilizado (generalmente entre 5.0-6.5). Se ha encontrado que pHs por debajo de 4.7 disminuyen la producción de H2, ya que se inhibe la actividad de la hidrogenasa. Se determina experimentalmente midiendo de producción de H2, al variar el pH del medio, manteniendo constante la concentración de sustrato, inóculo y temperatura. F) Establecimiento del fotoperiodo. Se entiende por fotoperiodo el tiempo de exposición de las microalgas, a los ciclos de luz/oscuridad. La luz es un parámetro esencial para el crecimiento cianobacterial, ya que la producción de hidrógeno tiende a disminuir a mayores intensidades de luz porque la fotosíntesis desvía la ruta de producción de hidrógeno; de aquí que el régimen de luz (fotoperiodo) debe ser controlado (Seijas et al., 2010). La segunda etapa de diseño de un fotobiorreactor se resume en el siguiente diagrama:
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Inicio de segunda etapa de diseño
Determinar concentración de sustrato
Determinar temperatura y pH óptimos
Determinar concentración de nutrientes
Determinar concentración de inóculo
Determinar fotoperiodo
Inicio de tercera etapa de diseño
Diagrama de proceso de la segunda etapa de diseño de un fotobiorreactor.
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Tercera etapa: EstimaciĂłn de las dimensiones del fotobiorreactor Una vez que se ha reunido la informaciĂłn respecto a los parĂĄmetros de cultivo, se dispone de los medios para efectuar el cĂĄlculo de las dimensiones del fotobiorreactor, considerando que los de columna de burbujeo, formado por tubos concĂŠntricos, son los mĂĄs estudiados para la producciĂłn de biohidrĂłgeno.
Sistema de iluminaciĂłn
Donde, el tubo interior, tiene como finalidad, contener al sistema de iluminaciĂłn del biorreactor. Se incluyen los siguientes cĂĄlculos:
Medio de cultivo
Figura 34. Fotobiorreactor de columna de burbujeo.
A) Volumen del tubo interior (VI). Contiene al sistema de suministro de energĂa lumĂnica. Su volumen se calcula mediante la expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ??ź = đ?&#x153;&#x2039;â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;2 Donde: VI=Volumen del tubo interior; m3 rm=Radio menor; m h=Altura del fotobiorreactor; m B) Volumen del tubo exterior (VE). Contiene al tubo interior y al medio de cultivo. Su volumen se calcula mediante la expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ??¸ = đ?&#x153;&#x2039;â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC;2 Donde: VE=Volumen del tubo exterior; m3 rM=Radio mayor; m h=Altura del fotobiorreactor; m C) Volumen total del fotobiorreactor (VT). Indica el volumen real del medio de cultivo, formado por el sustrato, los microorganismos fotoautotrĂłficos y los nutrientes adicionados. đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2021; = đ?&#x2018;&#x2030;đ??¸ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2030;đ??ź Universidad Abierta y a Distancia de MĂŠxico
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Donde: VT=Volumen total del fotobiorreactor; m3 D) Difusor. Permite el mezclado y aspersiĂłn del CO2 en el medio. Generalmente se forma por un anillo, ubicado de forma concĂŠntrica entre el tubo exterior y el interior; cuyos radios, exterior e interior, se calculan mediante la expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??¸ = ( ) + 1.5 2 đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??ź = (
đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161; ) â&#x2C6;&#x2019; 1.5 2
Donde: rDE=Radio exterior del difusor; m rDI=Radio interior del difusor; m Por lo tanto, el ancho del anillo del difusor (AD) serĂĄ de: đ??´đ??ˇ = đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??¸ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??ź Donde: AD=Ancho del anillo del difusor; m Los orificios que forman el difusor se separan 2 cm entre sĂ.
Difusor
Figura 35. Esquema de ubicaciĂłn del difusor de un fotobiorreactor de columna de burbujeo. Fuente: SepĂşlveda, 2011.
E) Dimensiones de la tapa. Permite mantener el sistema aislado del exterior, para evitar contaminaciĂłn, ademĂĄs, aloja el sistema de recuperaciĂłn del biohidrĂłgeno, y los sistemas de monitoreo de pH, temperatura y oxĂgeno y diĂłxido de carbono disueltos. Su ĂĄrea se determina mediante la ecuaciĂłn: đ??´ đ?&#x2018;&#x2021; = đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC;2
La tercera etapa de diseĂąo de un fotobiorreactor se resume en el siguiente diagrama:
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Inicio de tercera etapa de diseño
Determinar VI
Determinar VE
Determinar VT
Determinar rDE
Determinar rDi
Determinar AD
Determinar AT
Inicio de diseño
Diagrama de proceso de la tercera etapa de diseño de un fotobiorreactor. Para ilustrar el diseño de un fotobiorreactor de columna de burbujeo, se propone el siguiente ejemplo: Universidad Abierta y a Distancia de México
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Caso de estudio Como parte de las estrategias de diversificación energética sostenible de una región, se realizan investigaciones enfocadas a la producción de biohidrógeno a partir de biofotólisis indirecta, con el uso de una cepa de Synechocystis sp. El H2 obtenido, se combinará electroquímicamente con O2, a través de una celda de combustible tipo PEM, que permitirá generar electricidad para aplicaciones residenciales, comerciales, de transporte e industria liviana. Para dicho fin, se ha realizado la planificación de las actividades, agrupadas en las siguientes etapas: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Elección del microorganismo fotoautotrófico, en este caso, una cianobacteria. Determinación de parámetros de cultivo. Diseño del fotobiorreactor experimental. Optimización y control del proceso. Escalamiento a planta piloto. Escalamiento a nivel industrial.
Como resultado de la primera etapa, se ha seleccionado una cepa de Synechocystis sp., ya que, mediante estudios experimentales se demostró su alta productividad, bajo condiciones controladas de: suministro de luz y nutrientes, pH, temperatura, mezclado y suministro de CO2. Durante la segunda etapa, a través de la realización de cinéticas de producción de H2, se encontraron los siguientes parámetros óptimos: a) Nutrientes: 1.50 g/L de nitrato de sodio; 0.040 g/L fosfato ácido de potasio trihidratado; 0.075 g/L de sulfato de magnesio heptahidratado; 0.036 g de cloruro de calcio hexahidratado; 0.006 g/L de citrato férrico amoniacal; 0.22 g/L de sulfato de zinc heptahidratado b) Concentración celular de inóculo: 100 cel/mL c) Aireación: 10 L/min d) Fotoperiodo: 12 horas luz/12 horas de oscuridad e) Temperatura óptima: 26°C f) pH: 5.2
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Con base en la información presentada en el caso de estudio, la siguiente etapa en el proceso, es el diseño del fotobiorreactor experimental, calcula sus dimensiones, considerando que: a) b) c) d) e) f) g) h)
Tipo de biorreactor: fotobiorreactor de columna de burbujeo Geometría del biorreactor: cilíndrico, formado por dos tubos concéntricos Radio del tubo externo: 10 cm Radio del tubo interno: 4 cm Altura del biorreactor: 30 cm Material del cuerpo del biorreactor: acrílico cristal de 3 mm de espesor Material del difusor: acero inoxidable Sistema lumínico: de LEDS, en tubo interno
Solución Para el diseño del fotobiorreactor, de acuerdo a lo previamente estudiado, es necesario seguir las etapas a continuación citadas: 1. Elección del microorganismo autotrófico. 2. Determinación experimental de los parámetros de cultivo. 3. Estimación de las dimensiones del fotobiorreactor. De acuerdo a la información presentada en el caso de estudio, las etapas 1 y 2, ya se han realizado, obteniendo los siguientes resultados:
Etapa 1. Elección del microorganismo autotrófico
El primer paso para realizar el diseño de un fotobiorreactor, es la elección del microorganismo que se empleará. En este caso se eligió la cianobacteria o alga verde-azul denominada Synechocystis sp., que es capaz de obtener su fuente de energía a través del proceso de la fotosíntesis oxigénica y de producir biohidrógeno fotobiológicamente, bajo condiciones controladas de: luz, nutrientes, pH, temperatura, mezclado y suministro de CO2.
Etapa 2. Determinación experimental de los parámetros de cultivo
Una vez que se ha elegido la cianobacteria a utilizar, se determinan, a través de cinéticas, los parámetros óptimos para su cultivo. Se encontró que:
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a) La Synechocystis sp., requiere de los siguientes nutrientes: 1.50 g/L de nitrato de sodio; 0.040 g/L fosfato ácido de potasio trihidratado; 0.075 g/L de sulfato de magnesio heptahidratado; 0.036 g de cloruro de calcio hexahidratado; 0.006 g/L de citrato férrico amoniacal; 0.22 g/L de sulfato de zinc heptahidratado. Es importante controlar este factor, ya que determina la tasa de crecimiento del microorganismo. b) La aireación debe ser de 10 L/min, lo que ayuda a la agitación del medio y al suministro de CO2. Al aumentar la turbulencia, se favorece la eliminación de O2, producto de la fotosíntesis, que podría causar la inhibición de las enzimas que participan en el proceso. Además, el mezclado permite que las cianobacterias se mantengan en suspensión, lo que mejora el aprovechamiento de la luz y del CO2 suministrado en la corriente. c) La temperatura del sistema se debe mantener a 26°C, que es la óptima para el crecimiento de la cianobacteria. d) El pH del cultivo debe mantenerse a 5.2, ya que su variación afecta la disponibilidad de los nutrientes y la solubilidad de los gases, por lo que está directamente relacionado con la eficiencia del proceso. e) El fotoperiodo establecido fue de 12 horas luz/12 horas de oscuridad. El control de este parámetro es importante, ya que la fotosíntesis implica reacciones de luz y oscuridad. f)
Finalmente se estableció, que para que la producción de biohidrógeno se efectué adecuadamente, se requiere una concentración celular de inóculo de100 cel/mL. Estimación de las dimensiones del fotobiorreactor
Una vez que se cuenta con información sobre los parámetros de cultivo de la cianobacteria, se procede al cálculo de las dimensiones del dispositivo. Para ello, se supone que el fotobiorreactor de columna de burbujeo, tendrá una geometría cilíndrica y que estará constituido por dos tubos concéntricos. El tubo interior, contendrá el sistema de iluminación a base de LEDS. Dicho sistema, presenta como ventaja, respecto a otras tecnologías utilizadas para establecer el fotoperiodo (como las lámparas de tungsteno, halógeno, mercurio, xenón o fluorescentes), que requiere menos inversión económica ya que los diodos emisores de luz (LEDS) tienen una alta eficiencia de conversión de energía eléctrica a lumínica, no generan tanto calor (por lo que no se requieren sistemas de enfriamiento) y tienen una larga vida útil. Universidad Abierta y a Distancia de México
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Por otra parte, la zona ubicada entre los tubos interior y exterior, contendrá el medio de cultivo.
Figura 36. Imagen de un fotobiorreactor por columna de burbujeo. Fuente: Sepúlveda, 2011.
Para determinar el volumen real del medio de cultivo, es necesario calcular los de los tubos concéntricos. Para ello, se recurre a la información proporcionada en el caso de estudio. Se sabe que el radio de los tubos externo e interno, son de 10 cm y 4 cm, respectivamente, y que la altura del sistema será de 30 cm.
Figura 37. Esquema de fotobiorreactor por columna de burbujeo con dimensiones. Fuente: Modificado de Sepúlveda, 2011.
Así, el volumen del tubo interior (VI), es de:
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đ?&#x2018;&#x2030;đ??ź = đ?&#x153;&#x2039;â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161;2 đ?&#x2018;&#x2030;đ??ź = (đ?&#x153;&#x2039;)(30 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;)(4 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;)2 đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;° = đ?&#x;?đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x2022;. đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;&#x2018; = đ?&#x;?. đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;? đ?&#x2018;ł Mientras que, el volumen del tubo exterior (VE), serĂĄ de: đ?&#x2018;&#x2030;đ??¸ = đ?&#x153;&#x2039;â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC;2 đ?&#x2018;&#x2030;đ??¸ = (đ?&#x153;&#x2039;)(30 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;)(10 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;)2 đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;Ź = đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;?đ?&#x;&#x2019;. đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;&#x2013; đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;&#x2018; = đ?&#x;&#x2014;. đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;? đ?&#x2018;ł Una vez conociendo dichos volĂşmenes, se puede calcular el volumen total del fotobiorreactor (VT), es decir, el volumen real del medio de cultivo, formado por el sustrato, los microorganismos fotoautotrĂłficos y los nutrientes adicionados, de acuerdo a la expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2021; = đ?&#x2018;&#x2030;đ??¸ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2030;đ??ź đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x2021; = 9.42 đ??ż â&#x2C6;&#x2019; 1.51 đ??ż đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;ť = đ?&#x;&#x2022;. đ?&#x;&#x2014;đ?&#x;? đ?&#x2018;ł Una vez que se conoce el volumen y las dimensiones del cuerpo de fotobiorreactor, se procede al cĂĄlculo de las dimensiones del difusor, que permitirĂĄ el mezclado y aspersiĂłn del CO2 en el medio. Para ello, se considera que tiene forma de anillo y se encuentra ubicado alrededor del tubo interior. Sus radios, exterior (rDE) e interior (rDi), se calculan mediante las expresiones: đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??¸ = ( ) + 1.5 2 10 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161; + 4 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??¸ = ( ) + 1.5 2 đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2018;Ťđ?&#x2018;Ź = đ?&#x;&#x2013;. đ?&#x;&#x201C; đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x17D;
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đ?&#x2018;&#x;đ??ˇđ??ź = (
đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x161; ) â&#x2C6;&#x2019; 1.5 2
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Figura 38. Esquema de difusor de fotobiorreactor por columna de burbujeo. Fuente: Modificado de SepĂşlveda, 2011.
Finalmente, para el cĂĄlculo del ĂĄrea de la tapa, que permite mantener el sistema aislado del exterior y que aloja los sistemas de monitoreo de pH, temperatura y oxĂgeno disuelto y diĂłxido de carbono disuelto, se realiza la siguiente operaciĂłn: đ??´ đ?&#x2018;&#x2021; = đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x20AC;2
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đ??´ đ?&#x2018;&#x2021; = (đ?&#x153;&#x2039;)(10 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;)2 đ?&#x2018;¨đ?&#x2018;ť = đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;?đ?&#x;&#x2019;. đ?&#x;?đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;?
Lo antes descrito representa una propuesta metodolĂłgica de la forma en que pueden calcularse las dimensiones de un fotobiorreactor por columna de burbujeo para la producciĂłn de biohidrĂłgeno a partir de cianobacterias. Para concluir el tema, considera que la tecnologĂa de producciĂłn de biohidrĂłgeno representa una alternativa para diversificar las fuentes de energĂa existentes. Sin embargo, los procesos biolĂłgicos para su generaciĂłn tienen puntos en contra, tales como: su baja factibilidad de escalado y los elevados costos de la implementaciĂłn de los sistemas. Por ello, los biotecnĂłlogos y microbiĂłlogos siguen investigando aspectos relacionados con la bioquĂmica de los procesos, con el diseĂąo de fotobiorreactores, con la optimizaciĂłn de los parĂĄmetros de cultivo y con el diseĂąo de sistemas de iluminaciĂłn a pequeĂąa, mediana y gran escala que minimicen posibles efectos inhibitorios. A pesar de ello, una de las tendencias mundiales respecto a los energĂŠticos, es la sustituciĂłn de los hidrocarburos fĂłsiles por fuentes de energĂa renovables, como las estudiadas hasta el momento, incluyendo al biohidrĂłgeno. Para seguir documentĂĄndote y comprendiendo el subtema, es recomendable que realices la lectura del artĂculo Influencia del diĂłxido de carbono y fotoperiodo en la producciĂłn de biohidrĂłgeno por Arthrospira jenneri â&#x20AC;&#x153;espirulinaâ&#x20AC;?, de Seijas et al. (2010), que podrĂĄs encontrar en la secciĂłn de Material de apoyo. Este documento muestra la influencia del fotoperiodo y la concentraciĂłn de CO2 en la producciĂłn de biohidrĂłgeno.
2.4. Fotobiorreactores para cultivo de microalgas oleaginosas Acorde con la informaciĂłn tratada en los temas anteriores, la BiotecnologĂa energĂŠtica, busca la diversificaciĂłn de las fuentes de energĂa convencionales, a travĂŠs del uso de materias primas renovables (biomasa) y de microorganismos que permitan su conversiĂłn a bioenergĂŠticos. Dichos biocarburantes pueden ser gaseosos, como el biogĂĄs y el biohidrĂłgeno, o lĂquidos, como el bioetanol y el biodiesel. El biogĂĄs, tal como estudiĂł en el desarrollo de la presente unidad, se produce mediante la degradaciĂłn anaerobia de residuos provenientes de las actividades: agrĂcola, Universidad Abierta y a Distancia de MĂŠxico
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pecuaria, silvícola, acuacultura, algacultura, residuos de pesca, domésticos, comerciales, industriales, entre otros; a través de biorreactores específicos denominados biodigestores. En cambio, para la producción de bioetanol se requieren materias primas que contengan sustancias fermentables, que pueden provenir de frutas, cereales, tubérculos o biomasa lignocelulósica. El proceso de conversión de carbohidratos sencillos a alcohol carburante, se efectúa en dispositivos denominados fermentadores. En el caso específico del biohidrógeno, se sabe que se obtiene mediante los procesos metabólicos de organismos como las microalgas y las cianobacterias, a través del uso de fotobiorreactores. Además de los biocarburantes previamente tratados, actualmente se encuentra en auge la generación de biodiesel, que es un biocombustible constituido por ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como los aceites vegetales o las grasas de animales; y que se emplea en motores de ignición de compresión (García y García, 2006). A pesar del impacto económico y ambiental favorable que ha tenido este biocarburante, existen limitantes que cuestionan su uso a gran escala. Una de ellas, está relacionada con el uso de materias primas de consumo humano (por ejemplo: los aceites vegetales de maíz, soya, cártamo, etc.), por lo que, su producción se ha considerado una amenaza a la seguridad alimentaria mundial. Debido a ello, el Biotecnólogo ha buscado fuentes alternas de biomasa, a través de las cuales se pueda elaborar a escala industrial. Tal es el caso de las microalgas oleaginosas, las cuales, se caracterizan por contener, en su estructura, altas concentraciones de aceites y grasas, que tras un proceso de extracción, son aisladas. Posteriormente se convierten, por un proceso de transesterificación, en biodiesel. Para el cultivo de dichos microorganismos, se emplean fotobiorreactores abiertos o cerrados, como los que se discutieron en el tema anterior. Por tanto, otras de las tareas del biotecnólogo en esta línea de desarrollo, son: la optimización de los parámetros de cultivo de las microalgas, y el diseño y control de los fotobiorreactores para este fin.
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Figura 39. Fotobiorreactor para cultivo de microalgas oleaginosas. Fuente: mi+d, 2012.
Por ello, a través del desarrollo de los contenidos del tema, se abordarán los fundamentos de los fotobiorreactores para la producción de microalgas oleaginosas. De tal manera que seas capaz de comprender el bioproceso para su generación; de elegir los dispositivos, componentes y materiales de dichos reactores; y de diseñar un fotobiorreactor con fines de obtención de microalgas.
2.4.1 Bioproceso para generación de microalgas Tal como se trató en la introducción del tema, una de las líneas de desarrollo de la Biotecnología, es la producción de biocarburantes tales como el biodiesel, el cual, se emplea para automoción. Una de las fuentes alternas para sustituir las materias primas convencionales (aceites vegetales y grasas animales) de las cuales se obtiene, son las microalgas oleaginosas. Estos microorganismos fotosintéticos, de tamaño menor a 200 µm. Se caracterizan por una alta eficiencia fotosintética, lo que se refleja en un mayor crecimiento y producción de biomasa y, por lo tanto, de generación de aceites para su conversión al biocarburante en cuestión; lo que les da ventaja frente a cultivos ordinarios de plantas, como el maíz y la soya. El bioproceso para la generación de biodiesel a partir de microalgas, se investiga en primera instancia, a nivel laboratorio, donde a través de diversas pruebas cinéticas, se buscan los parámetros que permitan optimizar: el cultivo de dichas especies, el procesado y extracción del aceite, su refinación, y finalmente la producción del bioenergético. Una vez realizado este proceso, se escala para su producción a nivel planta piloto, donde se ajustan y controlan las variables críticas, de tal forma que la industrialización del biocarburante sea factible.
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Figura 40. Bioproceso para generación de biodiesel. Fuente: Química orgánica verde, s.f.
A escala experimental, el bioproceso para la producción de biodiesel a partir de microalgas oleaginosas, consta de las siguientes etapas:
1
2 3 4 5 6
•Selección específica de la microalga •Crecimiento en fotobiorreactores •Cosechado de microalgas •Extracción del aceite de las microalgas •Refinación del aceite •Producción de biodiesel
A continuación revisará, de forma más detallada, cada una de estas etapas:
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Etapa 1. Selección específica de la microalga El primer paso para la producción de biodiesel a partir de microalgas oleaginosas, consiste en la selección de cepas adecuadas que permitan la máxima producción de biomasa y de lípidos a procesar. De acuerdo a Loera-Quezada y Olguín (2010, p. 99), la especie debe tener las siguientes características: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Valor agregado Desarrollo en ambientes extremos Células grandes en colonias o filamentos Gran tolerancia a cambios de las condiciones ambientales Tolerancia a niveles altos de CO2 (15% o más) Tolerancia a niveles altos de contaminantes (en caso de ser cultivadas en aguas residuales) 7. Ser resistente el efecto físico de la agitación o turbulencia 8. No debe excretar autoinhibidores.
Figura 41. Selección de microalgas. Fuente: BTM, s.f.
Además de las características antes mencionadas, se suelen considerar factores como: costo, disponibilidad, facilidad de manipulación y productividad. Así, serán preferibles aquellas especies cuyo tiempo de duplicación sea menor, ya que esto impactará directamente en una mayor producción de aceites; de igual forma, se recomiendan especies tolerantes a cambios bruscos de las condiciones ambientales, ya que los principales dispositivos empleados para su cultivo son los estanques abiertos o raceways, los cuales son susceptibles a múltiples factores como: los cambios de temperatura, pH, intensidad luminosa, de oxígeno y dióxido de carbono disueltos (que provienen de la atmósfera), concentración de nitrógeno, fosforo, entre otros.
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Etapa 2. Crecimiento en fotobiorreactores Una vez seleccionada la cepa de microalgas, se determinan los parámetros óptimos de cultivo, con la finalidad de considerarse en el diseño de los fotobiorreactores donde se producirán en mayor cantidad. Tal como se trató en el tema anterior, los principales parámetros a medir, a través de pruebas de cinética de crecimiento de la biomasa, son: temperatura, pH, concentración del sustrato, CO2 disuelto, O2 disuelto y nutrientes. El establecimiento del fotoperiodo (ciclos de luz/oscuridad) es uno de los parámetros cruciales en el cultivo de microalgas oleaginosas, ya que requieren de ciclos de luz y oscuridad para poder efectuar las reacciones involucradas en la fotosíntesis. Para determinar el fotoperiodo óptimo de un organismo fotosintético, se suele cultivar a patrones diferentes de luz, es decir, se le expone a una determinada intensidad lumínica por rangos de tiempo predefinidos, manteniendo contantes, el pH y la velocidad de mezclado del medio. Por ejemplo, para el establecimiento del fotoperiodo óptimo de Chlorella vulgaris, se le puede exponer a diferentes rangos de iluminación: 12 horas de luz/12 horas de oscuridad; 8 horas de luz/16 horas de oscuridad; 16 horas de luz/8 horas de oscuridad, entre otros. Una vez concluida la experimentación, se determina la cantidad de microalga generada, seleccionando el fotoperiodo que permite una mayor producción de biomasa. Habiendo determinado los parámetros óptimos, se procede a su cultivo en fotobiorreactores (los tipos y diseño, se tratan a detalle en los subtemas siguientes), con la finalidad de generar grandes cantidades de biomasa, que posteriormente será cosechada. La disponibilidad de una tasa elevada de microalgas, favorece una mayor producción de aceite que será convertido en biodiesel.
Figura 42. Crecimiento en fotobiorreactores. Fuente: Biodisol, 2008.
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Etapa 3. Cosechado de microalgas Cuando se ha culminado la etapa de crecimiento de las microalgas en los fotobiorreactores, se procede su cosechado para separarlas del medio fluido en que se encuentran suspendidas, obteniendo una pasta que será sometida, en la etapa siguiente, a un proceso de extracción de aceites.
Figura 43. Cosechado de microalgas. Fuente: Gabiña, J., 2009.
El cosechado se divide en dos operaciones: el recolectado y la desecación (eliminación de agua): La recolección de la microalga permite la separación de la biomasa del medio cultivo. Esta operación se realiza en dos fases:
Primera fase o procedimiento primario de recolección. Consiste en la floculación (formación de grumos o gránulos de mayor tamaño) de las microalgas a través de la adición de compuestos químicos tales como: cloruro férrico, sulfato férrico o sulfato de aluminio. Segunda fase o procedimiento secundario de recolección. Una vez formados los gránulos de microalgas, éstos se pueden separar fácilmente del medio a través de: flotación, filtración, centrifugación o sedimentación.
En el siguiente esquema puedes ver el proceso de cosechado.
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Inicio de proceso de cosechado Recolectado
Realizar recolección primaria
Realizar recolección secundaria
Realizar desecación
Fin de proceso de cosechado
Esquema de proceso de cosechado de microalgas oleaginosas. Una vez separadas las microalgas del medio de cultivo, se realiza su desecación, es decir, se elimina la humedad, ya que la etapa posterior de extracción, requiere que la biomasa esté deshidratada, a fin de obtener altas eficiencias de recuperación del aceite. Para ello, se suelen ocupar los siguientes equipos:
Secador de ventana refractaria: permiten la eliminación de la humedad por evaporación, a temperaturas controladas, por lo que no se daña la estructura celular de las microalgas. Figura 44. Secador de ventana refractaria. Fuente: Rubianes, 2011.
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Tambor rotatorio de secado: permite la conversión de los gránulos de microalgas, en polvo seco. Figura 45. Tambor rotatorio de secado. Fuente: Rubianes, 2011.
Secador de lecho fluido: permite la eliminación de humedad a través de una corriente de fluido, generalmente aire atmosférico. Figura 46. Secador de lecho fluido. Fuente: Rubianes, 2011.
Secador solar: permite la eliminación de la humedad con ayuda de la radiación solar. Este equipo es relativamente económico, ya que no implica el uso de energía electrica para su operación. Figura 47. Secador solar. Fuente: Rubianes, 2011.
Etapa 4. Extracción del aceite de las microalgas Las microalgas oleaginosas deshidratadas, obtenidas de la etapa anterior, se someten a un proceso de extracción, a fin de separar el aceite del resto de la materia orgánica que las compone. De acuerdo a González et al., (2009, p. 54-55), existen diversos métodos para este fin, entre los que se encuentran: a) Extracción con solvente químico: se realiza con ayuda de solventes orgánicos, como: éter etílico, hexano o mezclas de diclorometano/hexano y diclorometano/metanol; por maceración, reflujo o con ayuda de un equipo Soxhlet.
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Figura 48. Extracción con solvente químico. Fuente: Agencia de noticias UN, 2013.
b) Extracción asistida por microondas: aprovecha destrucción celular provocada por las microondas para facilitar la recuperación de los aceites mediante una extracción por solvente. c) Extracción mediante ultrasonido: aprovecha destrucción de la pared celular, mediante ondas acústicas, para facilitar la extracción de los aceites con ayuda de solventes orgánicos. d) Autoclavado: consiste en la destrucción de la pared celular por la acción de temperaturas y presiones elevadas. Tras concluir este proceso, se continúa con una extracción por solvente. e) Shock osmótico: consiste en la ruptura de la pared celular mediante la reducción repentina de la presión osmótica, lo que facilita la recuperación de los aceites mediante una extracción por solvente. f)
Extracción enzimática: en este procedimiento se degrada la pared celular de las microalgas mediante el empleo de enzimas, esto facilita la salida de los aceites presentes en la célula.
g) Destrucción mecánica: aprovecha la destrucción de la pared celular, a través de dispositivos mecánicos (como los molinos de bolas y los sistemas de prensado), para facilitar la recuperación de los aceites mediante una extracción por solvente. La destrucción mecánica, seguida de una extracción con solvente químico, suele ser la metodología más utilizada para la recuperación del aceite de microalgas. Por ejemplo, para la extracción del aceite de los gránulos deshidratados de Chlorella vulgaris (procedentes de la etapa de cosechado), en primer lugar, se realiza una
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molienda mecánica (mediante un molino de bolas) a fin de destruir la pared celular de las microalgas. El polvo resultante de este proceso, se homogeneiza con una mezcla de metanol/cloroformo (2:1) para lograr la solubilización de los compuestos presentes en la biomasa. Posteriormente, se efectúa el proceso de extracción con la adición de cloroformo y agua, que al ser inmiscibles (no se combinan) forman dos fases, una polar (agua) y otra apolar (cloroformo). En la fase apolar quedan retenidas sustancias como los triglicéridos (materia prima de interés para su conversión a biodiesel) y los ácidos grasos. Esta fase se rotoevapora para recuperar el aceite (formado por triglicéridos y ácidos grasos libres) y el solvente, que es aprovechado para nuevas extracciones. Este proceso se resume en la siguiente figura.
Biomasa seca y molida
Homogeneización (Metanol/cloroformo 2:1)
Centrifugación
Filtración
Adicionar 1 parte de cloroformo
Agitar 30 s
Agitar 30 s
Adicionar 1 parte de agua
Fase metanol/agua
Fase cloroformo
Rotoevaporación
Aceite
Proceso de extracción de aceite de Chlorella vulgaris. Etapa 5. Refinación del aceite Una vez que se ha extraído el aceite de las microalgas, se realiza su refinación para eliminar sustancias indeseables que pudieran causar interferencias durante la producción del biodiesel. Dicho proceso se esquematiza en el siguiente diagrama:
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Aceite crudo de microalga
Desgomado (H3PO4:10%, 70°C, agitación, VH3PO4=5% de la masa total de aceite, 30 min
Sedimentación (90 min)
Neutralización (NaOH, 80°C, agitación)
Gomas hidratables y no hidratables, sales de Ca, Mg y metales
Agua
Agua caliente blanda Secado (Agitación, 100°C)
Aceite 0.1-0.5% humedad
Blanqueado (50 kg tierras activadas/22 ton aceite, agitación, 105°C, 30-45 min)
Centrifugación
Lavado
Centrifugación
Jabones
Jabones
Filtración
Hidrogenación (120°C,H2/Ni, 30 min, 10 ton aceite/7 kg Ni )
Fraccionamiento (Disminuir temperatura 60-18°C)
Tierras activadas, compuestos coloridos
Aceite refinado de microalga
Desodorización (Destilación continua en contracorriente con vapor, 245-260°C, 2 mm Hg)
Filtración
Estearina Peróxidos, aldehídos, compuestos orgánicos volátiles
Proceso de refinado de aceite crudo de microalga.
Durante el proceso de refinado, al aceite crudo de microalgas desecado, obtenido de la etapa anterior, se le adiciona ácido fosfórico al 10%, para eliminar las gomas hidratables y no hidratables, así como sales de calcio, magnesio y metales. Posteriormente, se
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neutraliza con hidróxido de sodio y se lava para retirar ácidos grasos libres en forma de jabón. El aceite libre de jabón, se seca para su blanqueo, a través de tierras activadas, esta operación tiene como objetivo eliminar sustancias que le confieren coloración. Una vez realizado este subproceso, se hidrogena, fracciona y desodoriza; para disminuir las insaturaciones de los compuestos presentes en el aceite, eliminar sólidos de bajo punto de fusión, y peróxidos, aldehídos y compuestos orgánicos volátiles, respectivamente, obteniendo un aceite refinado apto para su conversión a biodiesel. Etapa 6. Producción de biodiesel En la última etapa del bioproceso, el aceite refinado de microalgas, compuesto principalmente por triglicéridos, se somete a un proceso de transesterificación, dando lugar a la formación de alquil esteres (biodiesel) y glicerina.
Equipo para producción de biodiesel. Fuente: Alibaba.com, s.f. Para ello, el aceite reacciona con un alcohol de cadena corta (generalmente, metanol o etanol), en presencia de un catalizador (NaOH o KOH). El biodiesel crudo así obtenido, se refina a través de una destilación, seguida de un lavado con agua blanda a 60°C y se seca; todo ello para eliminar los restos de alcohol, jabón e impurezas y humedad, respectivamente. El biodiesel refinado de microalgas, se somete a pruebas de laboratorio, para verificar su calidad y que cumpla con los estándares establecidos en la norma ASTM D6751, para ser utilizado en motores a diesel. Para concluir el subtema, es importante recalcar, que como parte de las estrategias mundiales de diversificación de las fuentes de obtención de energía y como una herramienta para mitigar los efectos ambientales adversos causados por la quema Universidad Abierta y a Distancia de México
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desmedida de los combustibles fósiles, la biotecnología, a través del desarrollo de bioenergéticos, como el biodiesel proveniente de microalgas oleaginosas, representa actualmente un medio para conseguir el desarrollo y bienestar de los países. Los puntos cruciales en esta línea de desarrollo tecnológico y de conocimiento, se centran en la determinación de las condiciones óptimas de cultivo de los microorganismos fotosintéticos y en el diseño de fotobiorreactores adecuados para su producción, tópico que será abordado en los subtemas siguientes. Para seguir documentándote y comprendiendo el subtema, es recomendable que realices la lectura del documento Influencia del dióxido de carbono y fotoperiodo en la Microalgas: potencial para la producción de biodiesel, de Palomino et al. (2010), que podrás encontrar en la sección de Material de apoyo. Este documento presenta detalladamente, los métodos de cosecha de microalgas y de extracción de aceites, para la producción de biodiesel.
2.4.2. Componentes y materiales de un fotobiorreactor para cultivo de microalgas Tal como se estudió en el subtema anterior, el bioproceso para la producción de biodiesel incluye el cultivo de las microalgas oleaginosas en dispositivos específicos denominados fotobiorreactores. Recordando el tema anterior, un fotobiorreactor es un dispositivo que proporcionan las condiciones necesarias para que las microalgas ahí dispuestas, desarrollen de manera adecuada sus procesos metabólicos, a través de la fijación de dióxido de carbono (CO2) y del establecimiento de un fotoperiodo, que permitirá la obtención del producto de interés, en este caso, biomasa con altos contenidos de aceites, susceptibles de transformarse en biodiesel. Existen diversos fotobiorreactores que permiten la reproducción de dichos organismos fotosintéticos. Se clasifican en sistemas abiertos y cerrados. Sistemas abiertos Son aquellos que se encuentran expuestos al ambiente, por lo que su eficiencia es afectada por múltiples factores, incidiendo principalmente los cambios climáticos; además, presentan una mayor probabilidad de contaminación por agentes externos. En este grupo
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se encuentran los estanques naturales o artificiales, los tanques circulares y los raceways, siendo estos últimos, los más utilizados para el cultivo de microalgas. Los raceways, se suelen construir en forma ovalada, con alturas que oscilan entre 15 y 30 cm, a partir de materiales resistentes al efecto de la presión hidrostática, como: hormigón, tablero marino, fibra de vidrio y PVC. Este tipo de sistemas presentan como inconveniente, la dificultad para controlar la temperatura y los fotoperiodos, que dependen de los ciclos diurnos naturales y de las condiciones estacionales. Para favorecer la homogeneización del medio, la suspensión de las microalgas, la aireación y la agitación, se suelen usar dispositivos rotativos, tales como los agitadores de paleta, o bien, se logra a través de la recirculación del medio con el uso de bombas. Estos sistemas tienen las siguientes características:
Son económicos. Fáciles de limpiar después del cultivo. Buenos para el cultivo masivo de microalgas. Poco control de condiciones de cultivo. Dificultad en el crecimiento por largos periodos de tiempo. Baja productividad. Requieren grandes áreas de cultivo. Limitado a ciertas especies. Fácil contaminación.
Figura 49. Raceway para cultivo de microalgas. Fuente: International Aqua Feed, 2012.
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Sistemas cerrados o PBR´s Se caracterizan por ser dispositivos aislados del exterior, que permiten el cultivo de las microalgas bajo condiciones controladas. Se construyen en materiales con alta fuerza mecánica, carentes de toxicidad, resistentes al desgaste, con estabilidad química, de fácil limpieza y bajo costo. Los tubos de polipropileno son un ejemplo de materiales de bajo precio empleados comúnmente para la construcción de este tipo de fotobiorreactores, sin embargo, presentan como desventajas, que pierden la transparencia muy rápidamente y que muestran serias limitaciones en cuanto al bioensuciamiento y a la fuerza mecánica. El cristal podría ser un material excelente (alta transparencia, estabilidad química y durabilidad), sin embargo, son altos los gastos de instalación; además de su fragilidad. Las bolsas de polietileno también son usadas, son de bajo costo, de alta transparencia, y de buena esterilidad (López et al., 2009). En este grupo de sistemas se encuentran los fotobiorreactores tubulares, los de capa plana y las columnas verticales o de burbujeo. Los fotobiorreactores tubulares se construyen con tubos de plástico o vidrio, los cuales se disponen en forma horizontal, vertical, cónica, inclinada, en serie o en paralelo. El establecimiento del fotoperiodo se realiza a través de un sistema lumínico que puede ser natural o artificial.
Figura 50. Fotobiorreactores tubulares. Fuente: Everis, 2012.
Para lograr el mezclado, homogeneización del medio y la suspensión de las microalgas, se recircula el medio a través de bombas. Constan de: un sistema de aireación, un
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sistema de mezclado mediante bombeo (bomba), una torre de intercambio de gases (desgasificador), un sistema de calentamiento y de un sistema de iluminación natural (radiación solar) o artificial. La siguiente figura muestra esquemas representativos de fotobiorreactores tubulares tipo serpentín y cónicos.
Figura 51. Representación de fotobiorreactores tubulares tipo serpentín (izquierda) y cónicos (derecha). Fuente: Toledo, C. A. L., 2010.
Estos sistemas tienen las siguientes características:
Grandes áreas de iluminación. Adecuado para cultivos en el exterior. Bastante productividad de biomasa. Relativamente baratos. Gradientes de pH. Gradientes de concentración de oxígeno disuelto a lo largo de los tubos. Crecimiento de algas en las paredes. Requiere de un gran espacio de cultivo.
Los fotobiorreactores de capa plana se construyen en PVC transparente o en vidrio. Se utilizan ampliamente a nivel laboratorio ya que permiten estudiar fácilmente la influencia de la iluminación en la eficiencia de producción de microalgas. Se componen de un sistema de iluminación (lámparas), un sistema de mezclado mediante bombeo de aire e inyección de CO2 (difusor), un sistema de aspersión de agua y un sistema de control de temperatura (termostato).
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Figura 52. Representación de un fotobiorreactor de capa plana. Fuente: Rubianes, 2011.
Figura 53. Fotobiorreactor de capa plana. Fuente: FCTecnics, s. f.
Estos sistemas cuentan con las siguientes características:
Grandes superficies iluminadas. Adecuado para cultivos en el exterior. Bueno para inmovilización de algas. Buena penetración de la luz. Alta productividad. Relativamente baratos. Fáciles de limpiar. El escalamiento requiere muchos materiales de soporte. Difícil control de la temperatura. Crecimiento sobre paredes. Estrés hidrodinámico en algunas cepas.
Las columnas verticales o fotobiorreactores de columna de burbujeo, se construyen en polietileno o vidrio. Pueden colocarse en estructuras móviles que permitan el uso de la energía solar. El mezclado, la homogeneización del medio y la suspensión de las microalgas; se logra a través de la inyección de aire (airlift). Contienen: un sistema de aireación en el fondo del recipiente, que suministra CO2 y un sistema de iluminación natural o artificial.
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Figura 54. Esquema de un fotobiorreactor de columna de burbujeo. Fuente: Ertola et al., s. f.
Estos sistemas tienen las siguientes características: Alta transferencia de masa. Buen mezclado y bajo esfuerzo cortante. Bajo consumo de energía. Fácil de escalar. Reduce la fotoinhibición. Poca superficie de iluminación. Disminución de la superficie iluminada al ser escalados. La elección y diseño del fotobiorreactor a utilizar para el cultivo de microalgas oleaginosas, se basa en los requerimientos de luz, nutricionales, pH, temperatura, de mezclado, dispersión de CO2 y O2, entre otros; que requiera el organismo fotosintético. A demás de ello, se suele considerar el gasto económico relacionado con su implementación y mantenimiento, por ello, actualmente, los raceways son los sistemas más empleados para su producción ya que suelen generar de 5 a 10 gramos de biomasa (base seca) por metro cuadrado de superficie por día. Estos dispositivos serán estudiados a profundidad en el próximo subtema.
2.4.3. Parámetros de diseño Como se estudió en los subtemas anteriores, los fotobiorreactores son dispositivos cuya finalidad es proporcionar a las microalgas oleaginosas, los requerimientos adecuados de nutrientes, dióxido de carbono, pH, temperatura e intensidad luminosa. Estos sistemas se pueden clasificar en cerrados y abiertos, siendo estos últimos los más utilizados para su cultivo, debido a que implican menos costos de implementación y mantenimiento, además
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de aprovechar la radiación solar para establecer el fotoperiodo, lo que permite disminuir los gastos relacionados con el consumo de energía eléctrica. Por su importancia y amplia difusión, el diseño de fotobiorreactores tipo raceway, es fundamental para el cultivo de organismos fotosintéticos empleados para la producción de biodiesel. Un sistema raceway se caracteriza por tener forma ovalada. El biorreactor está separado en canales, a través de los cuales fluye el medio de cultivo, gracias a la ayuda de bombas. Su iluminación suele ser natural, es decir, proviene de la radiación solar.
Figura 55. Esquema de un raceway. Fuente: modificado de FAO, s. f.
Las etapas involucradas en su diseño se muestran en la siguiente línea vertical:
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Etapa
â&#x20AC;˘DeterminaciĂłn de parĂĄmetros experimentales
1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5 Etapa 6
â&#x20AC;˘CĂĄlculo de la altura del canal
â&#x20AC;˘CĂĄlculo de la longitud del canal
â&#x20AC;˘CĂĄlculo de la anchura del canal
â&#x20AC;˘CĂĄlculo del ancho total del raceway
â&#x20AC;˘EstimaciĂłn del volumen del raceway
A continuaciĂłn se detallan cada una de las etapas del proceso de diseĂąo: Primera etapa: DeterminaciĂłn de parĂĄmetros experimentales Para realizar el dimensionado del raceway, se requiere la determinaciĂłn experimental previa, de los siguientes parĂĄmetros: A) RadiaciĂłn promedio que llega al cultivo (Iav). Indica la radiaciĂłn solar que incide en el cultivo y que permite el desarrollo del organismo fotosintĂŠtico, es decir, seĂąala la profundidad que alcanza la radiaciĂłn solar en el biorreactor, y por lo tanto, el nivel mĂĄximo en la columna de sustrato, en que habrĂĄ crecimiento de microalgas. Se calcula mediante la expresiĂłn: đ??ź0 đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł = ( ) (1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2019; [(â&#x2C6;&#x2019;đ??žđ?&#x2018;&#x17D;)(đ?&#x2018;?)(đ??śđ?&#x2018;?)] (đ??žđ?&#x2018;&#x17D; )(đ?&#x2018;?)(đ??śđ?&#x2018;? ) Donde: Iav=RadiaciĂłn promedio que llega al cultivo, necesaria para el desarrollo de la microalga; ÂľE/m2.s I0=RadiaciĂłn solar media estimada que llega al reactor; ÂľE/m2.s Ka=Constante de extinciĂłn de la biomasa, m2/g p=Profundidad (distancia que recorre la luz dentro del reactor), m
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B) Velocidad de crecimiento del organismo fotosintĂŠtico (Âľ). Indica la tasa de crecimiento de la biomasa, bajo condiciones controladas de radiaciĂłn. Se calcula mediante la siguiente expresiĂłn modificada de Monod (estudiada en la asignatura de IngenierĂa de Biorreactores I): đ?&#x153;&#x2021;=
đ?&#x2018;&#x203A; (đ?&#x153;&#x2021;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ )(đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł ) đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ??źđ?&#x2018;&#x2DC; + đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł
Donde: Âľ=Velocidad de crecimiento del organismo fotosintĂŠtico, dĂa-1 Âľmax=Velocidad mĂĄxima de crecimiento, dĂa-1 Ik=RadiaciĂłn cuando la velocidad de crecimiento es la mitad de la velocidad mĂĄxima, ÂľE/m2.s n=Ă?ndice de ajuste igual a 2 C) Productividad volumĂŠtrica (Pv). Indica la concentraciĂłn de microalgas a distintas alturas de la columna de sustrato. Se obtiene de la expresiĂłn: đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ł = đ?&#x153;&#x2021;đ??śđ?&#x2018;? Donde: Pv=Productividad volumĂŠtrica; g/m3.dĂa Âľ=Velocidad de crecimiento del organismo fotosintĂŠtico, dĂa-1 Cb=ConcentraciĂłn de biomasa, g/L D) Productividad por ĂĄrea (Pa). Indica la concentraciĂłn de microalgas por volumen/superficie del reactor. Se calcula mediante la siguiente ecuaciĂłn matemĂĄtica: đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D; = (đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ł )(đ?&#x2018;?) Donde: Pa=Productividad por ĂĄrea; g/m2.dĂa Pv=Productividad volumĂŠtrica; g/m3.dĂa Segunda etapa: CĂĄlculo de la altura del canal La altura del canal se determina experimentalmente midiendo la concentraciĂłn de microalgas a diferentes alturas, es decir, se recurre a los datos obtenidos de las productividades: volumĂŠtrica y por ĂĄrea.
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Tercera etapa: CĂĄlculo de la longitud del canal La longitud del canal (L) estĂĄ en funciĂłn del ĂĄrea disponible para la construcciĂłn de raceway y del nĂşmero de canales considerados en el sistema, se determina mediante la expresiĂłn: (đ??´)(đ??żÂ´â &#x201E;đ??ˇ) â&#x2C6;&#x161; đ??ż= đ?&#x2018; Donde: L=Longitud del canal, m A=Ă rea disponible para la construcciĂłn del raceway, m2 N=NĂşmero de canales L´/D=parĂĄmetro de ajuste de diseĂąo, 20 Cuarta etapa: CĂĄlculo de la anchura del canal La anchura del canal (D) se determina en funciĂłn de la longitud del canal, del ĂĄrea disponible para la construcciĂłn del fotobiorreactor abierto y del nĂşmero de canales que contendrĂĄ el sistema; de acuerdo a la siguiente ecuaciĂłn. đ??ˇ=
đ??´ (đ??ż)(đ?&#x2018; )
Donde: D=Ancho del canal, m Quinta etapa: CĂĄlculo del ancho total del raceway Esta dimensiĂłn estĂĄ en funciĂłn del ancho del canal y del nĂşmero de ellos considerados para el sistema. Por tanto, se determina mediante la expresiĂłn: đ??´đ?&#x2018;&#x2021; = (đ??ˇ)(đ?&#x2018; ) Donde: AT=Ancho total del raceway, m Sexta etapa: EstimaciĂłn del volumen del raceway El volumen del raceway esta en funciĂłn del ĂĄrea disponible para la implementaciĂłn del sistema y de la profundidad del canal, asĂ, se determina mediante la siguiente ecuaciĂłn: đ?&#x2018;&#x2030; = (đ??´)(đ?&#x2018;?)
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Donde: V=Volumen del raceway; m3 Para ilustrar el diseño de sistema raceway para cultivo de microalgas oleaginosas, se propone el siguiente ejemplo: Caso de estudio Actualmente, el incremento de los precios de los combustibles fósiles; así como el impacto ambiental provocado por su uso desmedido, está impulsando el desarrollo de bioprocesos para la generación de fuentes alternas de energía, tal es el caso del biodiesel. En materia de biocombustibles, el área biotecnológica trabaja en la búsqueda de materias primas renovables que permitan la producción de dicho biocarburante de forma sostenible. Por ello, los especialistas en dicha área, han propuesto el uso de las microalgas oleaginosas, por su gran capacidad para producir cantidades elevadas de aceites, que tras un proceso de extracción, refinación y transesterificación, dan lugar a la generación de biodiesel. Un punto crítico del bioproceso de producción de biodiesel a partir de organismos fotosintéticos, es el diseño de dispositivos adecuados para su cultivo, que sean económicos y de fácil mantenimiento; requerimientos solicitados por una empresa que desea implementar un sistema de cultivo de microalgas oleaginosas. Para ello, el ingeniero en biotecnología encargado del área de desarrollo tecnológico, propone el diseño, construcción y puesta en macha de un sistema abierto o raceway. Como parte de la metodología, el especialista realiza pruebas de laboratorio, que le permiten obtener los siguientes datos: Radiación solar media que llega al reactor (I0): 769 µE/m2.s Constante de extinción de la biomasa (Ka): 0.15 m2/g Velocidad máxima de crecimiento (µmax): 0.90 día-1 Radiación en que la velocidad de crecimiento es la mitad de la velocidad máxima (Ik): 100 µE/m2.s e) Distancia que recorre la luz dentro del reactor (profundidad, p): 10 cm f) Concentración de la biomasa (Cb): 0.5 g/L a) b) c) d)
Para la construcción del raceway, se dispone de 4,000 m2; y se ha supuesto que el sistema está formado por 2 canales.
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Con base en la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, calcula las dimensiones del sistema abierto. SoluciĂłn Para el diseĂąo del raceway, de acuerdo a lo previamente estudiado, es necesario seguir las etapas a continuaciĂłn citadas: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
DeterminaciĂłn de parĂĄmetros experimentales CĂĄlculo de la altura del canal CĂĄlculo de la longitud del canal CĂĄlculo de la anchura del canal CĂĄlculo del ancho total del raceway EstimaciĂłn del volumen del raceway
ď&#x201A;ˇ
Etapa 1. DeterminaciĂłn de parĂĄmetros experimentales
El primer paso para realizar el diseĂąo de un raceway consiste en la realizaciĂłn de pruebas de laboratorio (por ejemplos, cinĂŠticas de producciĂłn de microalgas), que permiten predecir la productividad volumĂŠtrica y por ĂĄrea del sistema. AsĂ, de acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, es posible calcular la radiaciĂłn promedio que llega al cultivo (Iav), es decir, la luz solar que incide en las microalgas oleaginosas y que permite su adecuado desarrollo. Recuerda, que estos organismos al ser fotosintĂŠticos, requieren de ciclos de luz y oscuridad para efectuar de manera correcta sus procesos metabĂłlicos. Por lo tanto, se tiene: đ??ź0 đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł = ( ) (1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2019; [(â&#x2C6;&#x2019;đ??žđ?&#x2018;&#x17D;)(đ?&#x2018;?)(đ??śđ?&#x2018;?)] (đ??žđ?&#x2018;&#x17D; )(đ?&#x2018;?)(đ??śđ?&#x2018;? ) đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł = (
769 ÂľE/m2 . s 2 ) (1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2019; [(â&#x2C6;&#x2019;0.15 m /g)(0.1 đ?&#x2018;&#x161;)(0.5 đ?&#x2018;&#x201D;/đ??ż)] 2 (0.15 m /g)(0.1 đ?&#x2018;&#x161;)(0.5 đ?&#x2018;&#x201D;/đ??ż) đ?&#x2018;°đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2014; = đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;&#x201D;đ?&#x;&#x201D;. đ?&#x;?đ?&#x;? Âľđ??&#x201E;/đ??Śđ?&#x;? . đ??Ź
Una vez calculada la radiaciĂłn promedio que llega al cultivo, se puede determinar la velocidad de crecimiento del organismo fotosintĂŠtico (Âľ), que permitirĂĄ determinar la tasa de crecimiento de la biomasa, bajo dichas condiciones:
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đ?&#x153;&#x2021;=
đ?&#x153;&#x2021;=
đ?&#x2018;&#x203A; (đ?&#x153;&#x2021;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ )(đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł ) đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ??źđ?&#x2018;&#x2DC; + đ??źđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ł ÎźE 2 ) m2 .s ÎźE 2 (766.12 m2 .s)
(0.90 dĂaâ&#x2C6;&#x2019;1 )(766.12 (100
ÎźE 2 ) m2 .s
+
đ?? = đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x2013;đ?&#x;&#x2013; đ?&#x2019;&#x2026;Ăđ?&#x2019;&#x201A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;? Por lo tanto, la productividad volumĂŠtrica (Pv) serĂĄ de: đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ł = đ?&#x153;&#x2021;đ??śđ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ł = (0.88 đ?&#x2018;&#x2018;Ăđ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;1 )(0.5 đ?&#x2018;&#x201D;/đ??ż) đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;&#x2014; = đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x2019; đ?&#x2019;&#x2C6;/đ?&#x2018;ł. đ?&#x2019;&#x2026;Ăđ?&#x2019;&#x201A; = đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x17D; đ?&#x2019;&#x2C6;/đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;&#x2018; . đ?&#x2019;&#x2026;Ăđ?&#x2019;&#x201A; Mientras que la productividad por ĂĄrea (Pa), serĂĄ de: đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D; = (đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ł )(đ?&#x2018;?) đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D; = (440 đ?&#x2018;&#x201D;/đ?&#x2018;&#x161;3 . đ?&#x2018;&#x2018;Ăđ?&#x2018;&#x17D;)(0.1 đ?&#x2018;&#x161;) đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;&#x201A; = đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x2019; đ?&#x2019;&#x2C6;/đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;? . đ?&#x2019;&#x2026;Ăđ?&#x2019;&#x201A; ď&#x201A;ˇ
Segunda etapa: CĂĄlculo de la altura del canal
La altura del canal se determinĂł experimentalmente midiendo la concentraciĂłn de microalgas a diferentes alturas, es decir, esta dimensiĂłn estĂĄ relacionada con la profundidad de penetraciĂłn de la radiaciĂłn solar en el medio de cultivo del sistema, que permite el desarrollo de las microalgas. De acuerdo a la informaciĂłn presentada en el caso de estudio, este valor es de 10 cm. ď&#x201A;ˇ
Tercera etapa: CĂĄlculo de la longitud del canal
Una vez que se determinĂł la altura del canal, se calcula su longitud (L), que estĂĄ en funciĂłn del ĂĄrea disponible para la construcciĂłn de raceway y del nĂşmero de canales considerados en el sistema. De acuerdo a lo expuesto en el caso de estudio, el sistema abierto constarĂĄ de dos canales y se dispone de un ĂĄrea de 4,000 m2 para su construcciĂłn, por lo que su longitud serĂĄ de:
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(đ??´)(đ??żÂ´â &#x201E;đ??ˇ) â&#x2C6;&#x161; đ??ż= đ?&#x2018; (4,000 đ?&#x2018;&#x161;2 )(20) đ??ż=â&#x2C6;&#x161; 2 đ?&#x2018;ł = đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x17D; đ?&#x2019;&#x17D; ď&#x201A;ˇ
Cuarta etapa: CĂĄlculo de la anchura del canal
Ahora se procede a la determinaciĂłn de la anchura del canal (D), que depende de la longitud previamente calculada, del ĂĄrea disponible para la construcciĂłn y del nĂşmero de canales, por lo que serĂĄ de: đ??ˇ=
đ??ˇ=
đ??´ (đ??ż)(đ?&#x2018; )
4,000 đ?&#x2018;&#x161;2 (200 đ?&#x2018;&#x161;)(2)
đ?&#x2018;Ť = đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D; đ?&#x2019;&#x17D; ď&#x201A;ˇ
Quinta etapa: CĂĄlculo del ancho total del raceway
Por lo que, el ancho total del raceway serĂĄ de: đ??´đ?&#x2018;&#x2021; = (đ??ˇ)(đ?&#x2018; ) đ??´đ?&#x2018;&#x2021; = (10 đ?&#x2018;&#x161;)(2) đ?&#x2018;¨đ?&#x2018;ť = đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D; đ?&#x2019;&#x17D; ď&#x201A;ˇ
Sexta etapa: EstimaciĂłn del volumen del raceway
Finalmente, el volumen se calcula, considerando el ĂĄrea disponible para implementar el sistema y la profundidad del canal: đ?&#x2018;&#x2030; = (đ??´)(đ?&#x2018;?) đ?&#x2018;&#x2030; = (4,000 đ?&#x2018;&#x161;2 )(0.1 đ?&#x2018;&#x161;) Universidad Abierta y a Distancia de MĂŠxico
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đ?&#x2018;˝ = đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x17D; đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;&#x2018; Lo antes descrito representa una propuesta metodolĂłgica de la forma en que pueden calcularse las dimensiones de un sistema abierto o raceway para la producciĂłn de microalgas oleaginosas. Recuerda, que estas constituyen la materia prima para el bioproceso de producciĂłn de biodiesel, carburante que actualmente se emplea con fines de automociĂłn. Sin duda, en el ĂĄrea de producciĂłn de bioenergĂŠticos (como el biodiesel, el biogĂĄs, el biohidrĂłgeno y el bioetanol), por medio de biorreactores especĂficos, la BiotecnologĂa avanza a pasos agigantados, ya que a travĂŠs del diseĂąo de dispositivos, del control y establecimiento de los parĂĄmetros crĂticos de los bioprocesos y de la bĂşsqueda de nuevas fuentes de biomasa; garantiza prosperidad y bienestar social mundial.
Actividades La elaboraciĂłn de las actividades estarĂĄ guiada por tu docente en lĂnea, mismo que te indicarĂĄ, a travĂŠs de la PlaneaciĂłn didĂĄctica del docente en lĂnea, la dinĂĄmica que tĂş y tus compaĂąeros (as) llevarĂĄn a cabo, asĂ como los envĂos que tendrĂĄn que realizar. Para el envĂo de tus trabajos usarĂĄs la siguiente nomenclatura: BIB2_U2_A1_XXYZ, donde BIB2 corresponde a las siglas de la asignatura, U2 es la etapa de conocimiento, A1 es el nĂşmero de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.
Autorreflexiones Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de AutorreflexiĂłn indicadas por tu docente en lĂnea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderaciĂłn del 10% de tu evaluaciĂłn. Para el envĂo de tu autorreflexiĂłn utiliza la siguiente nomenclatura: BIB2_U2_ATR _XXYZ, donde BIB2 corresponde a las siglas de la asignatura, U2 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno
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Cierre de la unidad A lo largo de la unidad se han abordado aspectos relacionados con el diseño de biorreactores específicos. Has logrado analizar los fundamentos del diseño de: biorreactores anaerobios semicontinuos, de fermentadores y de fotobiorreactores para la producción de biohidrógeno y microalgas oleaginosas. Con ello se alcanza la competencia específica relacionada con la unidad 2 y te prepara para aplicar los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la siguiente unidad, relacionada con el escalamiento de biorreactores a nivel planta piloto e industrial.
Para saber más
A continuación se presentan algunos recursos que te permitirán profundizar en el estudio de los temas de esta segunda unidad:
En eldocumento titulado Biogas Handbook. de Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Kottner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk y Rainer Janssen (2008), primera edición, publicado por University of Southern Denmark Esbjerg. ISBN 978-87-992962-0-0. Se encuentra disponible en: http://lemvigbiogas.com Este documento profundiza en las siguientes temáticas: ventajas de la tecnología del biogás, el proceso de biodigestión anaerobia, las principales aplicaciones del biogás y los componentes de una planta de biogás.
Puedes consultar en la Web el video Biodiesel microalgal: energía limpia, renovable y autóctona para Chile, del Consorcio Tecnológico Empresarial Algae Fuels S. A. de C. V. (2011), en que se muestra la tecnología de producción de microalgas para la generación de biodiesel.
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Puedes consultar en la web el video Procesado de aceite de algas., de Emilio Molina Grima (2010), en el que se aborda el tema del procesamiento del aceite de microalgas con fines de producción de biodiesel.
Puedes consultar en la web el video La revolución del hidrógeno. De: Documentos TV (2011), en el que se narra la importancia del uso de hidrógeno como vector energético.
Fuentes de consulta
Básicas: 1. Bedoya, A., Catrillón, J. C., Ramírez, J. E., Vásquez, J. E., Zabala, M. A. (2007). Producción biológica de hidrógeno: una aproximación al estado del arte. Dyna. 75(154):137-157. 2. Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión. (2008). Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos. Secretaría General. Secretaría de Servicios Parlamentarios. Centro de Documentación, Información y Análisis. Fecha de última consulta: 21/abril/2013. Recuperado de: http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/pdf/LPDB.pdf 3. Chynoweth, D. P., Owens, J. M., Legrand, R. (2001). Renewable methane from anaerobic digestion of biomass. Renewable Energy. 22(1-3):1-8. 4. Chungandro, N. K. R., Manitio, P. G. J. (2010). Diseño y construcción de un biodigestor para pequeñas y medianas granjas. Facultad de Ingeniería Mecánica. Escuela Politécnica Nacional. 25-32.
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5. Gama, F. M. A. (2004). Biología. Biogénesis y microorganismos. 2da. Edición. Editorial: Pearson-Prentice Hall. México. ISBN: 970-26-0509-1. Pp. 118-121. 6. García, C. J. M., García, L. J. A. (2006). Biocarburantes líquidos: biodiesel y bioetanol. 1era. Edición. Editorial: Elecé Industria Gráfica. España. Depósito legal: M-30985-2006. 7. González, A. D., Viatcheslav K., Guzmán, M. A. (2009). Desarrollo de métodos de extracción de aceite en la cadena de producción de biodiesel a partir de microalgas. Prospect. 7(2):53-60. Recuperado de: http://www.uac.edu.co/images/stories/publicaciones/revistas_cientificas/prospectiv a/volumen-7-no-2/articulo6-v7n2.pdf 8. Guevara, V. A. (1996). Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales. Centro Panamericano de Ingeniería y Ciencias del Ambiente. Lima Fecha de última consulta: 21/abril/2013. Recuperado de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf 9. Hernández, N. M. T. (2007). Tendencias actuales en la producción de bioetanol. Boletín electrónico. Facultad de Ingeniería. Universidad Rafael Landívar. 8:1-17. 10. Loera-Quezada, M. M., Olguín, E. J. (2010). Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel: retos y oportunidades. Rev. Latinoam.Biotecnol. Amb. Algal. 1(1):91-116. Recuperado de: http://www3.inecol.edu.mx/relbaa/images/docs/loera_olguin_2010_revlatinoambiot ecnolambalgal_v1n1.pdf 11. López, F., Rojas, R., Barajas, A., Kafarov, V. (2009). Producción de biocombustibles de tercera generación: diseño de fotobiorreactores a escala de laboratorio para producción de microalgas. [Memorias del IV Simposio de Química Aplicada-SIQUIA 2009.] 12. Martínez, A. D. M. (2008). Simulación y diseño de una planta productora de bioetanol a partir de mango “Hilaza” (Mangifera indica I) en el departamento de Sucre. Facultad de Ingeniería. Universidad de Sucre. Fecha de última consulta: 17/julio/2013. Recuperado de: http://biblioteca.unisucre.edu.co:8080/dspace/bitstream/123456789/229/1/620.004 2M385.pdf 13. Olaya, A. Y., González S. L. O. (2009). Fundamentos para el diseño de biodigestores. Fecha de última consulta: 11/julio/2013. Recuperado de: http://www.bdigital.unal.edu.co/7967/4/luisoctaviogonzalezsalcedo.20121.pdf 14. Sánchez, R. A. M., Gutiérrez, M. A. I., Muñoz H. J. A., Rivera, B. C. A. (2010). Producción de bioetanol a partir de subproductos agroindustriales lignocelulósicos. Revista Tumbaga.1(5):61-91. 15. Seijas, B. P., Seijas, V. S., Seijas, B. N. (2010). Influencia del dióxido de carbono y fotoperiodo en la producción de biohidrógeno por Arthrospira jenneri “espirulina” en fotobiorreactor solar. Ciencia y Tecnología. 59-69. Recuperado de: http://revistas.unitru.edu.pe/index.php/PGM/article/view/190/197
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