Obtención de microalgas, y producción de biodiesel mediante simulación, como estrategia de mitigación del Co2 de la Atmosfera

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(1)Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA. FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. “OBTENCION DE MICROALGAS, Y PRODUCCION DE BIODIESEL MEDIANTE SIMULACIÓN, COMO ESTRATEGIA DE MITIGACIÓN DEL CO2 DE LA ATMOSFERA”. Presentado por el Bachillere en Ingeniería Química:. FRANCO FOLLANO PATA Para optar el título Profesional de Ingeniero Químico. AREQUIPA – 2014. i.

(2) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. DEDICATORIA. A Dios Por sobre todas las cosas, en agradecimiento por todas las bendiciones que me ha dado en cada paso de mi vida A mi madre Por ser el pilar fundamental de mi vida A mi Familia Por su apoyo incondicional. ii.

(3) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. PRESENTACIÓN Señor Decano de la Facultad de Ingeniería de Procesos Señora Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Química Señores Miembros del Jurado Cumpliendo con el Reglamento de Grados y Títulos vigente, se pone en consideración de los Miembros del Jurado el Trabajo de Tesis titulado: “OBTENCION DE MICROALGAS, Y PRODUCCION DE BIODIESEL MEDIANTE SIMULACIÓN, COMO ESTRATEGIA DE MITIGACIÓN DEL CO2 DE LA ATMOSFERA” Deseamos con el presente trabajo optar el Grado de Ingeniero Químico y realizar un nuevo aporte en la investigación computacional, el control medioambiental y de operaciones unitarias en el campo de la Ingeniería Química. Atentamente,. Franco Follano Pata. iii.

(4) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE CARATULA ................................................................................................................. i DEDICATORIA .......................................................................................................... ii PRESENTACIÓN ..................................................................................................... iii ÍNDICE...................................................................................................................... iv ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................ vii CAPITULO I ............................................................................................................... 2 GENERALIDADES ...................................................................................................... 2 1.1. PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN ----------------------------------------------------- 2. 1.2. OBJETIVOS ---------------------------------------------------------------------------------- 2. 1.2.1. OBJETIVO GENERAL --------------------------------------------------------------------- 2. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS --------------------------------------------------------------- 3. 1.3. HIPÓTESIS ----------------------------------------------------------------------------------- 3. 1.4. JUSTIFICACIÓN ---------------------------------------------------------------------------- 3. 1.4.1. JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA ----------------------------------------------------- 3. 1.4.2. JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA -------------------------------------------------------- 4. 1.4.3. JUSTIFICACIÓN AMBIENTAL ---------------------------------------------------------- 4. 1.4.4. ALCANCES ---------------------------------------------------------------------------------- 4. 1.4.5. RESTRICCIONES --------------------------------------------------------------------------- 4. 1.5. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS ------------------------------------------------- 5. CAPÍTULO II .............................................................................................................. 6 MARCO CONCEPTUAL............................................................................................. 6 2.1. ALGAS Y SUS PROPIEDADES MÁS ADECUADAS PARA EL BIODIESEL--- 6. 2.1.1.. DIVISIONES PRINCIPALES DE ALGAS ------------------------------------------- 7. 2.1.2. MATERIA PRIMA PARA LA SÍNTESIS DE BIODIESEL ----------------------- 9. 2.2.1. MICROALGAS --------------------------------------------------------------------------- 12. 2.2. MÉTODOS DE CULTIVO DE ALGAS Y ELECCIÓN DEL MÉTODO MÁS ADECUADO------------------------------------------------------------------------------- 21. 2.2.2. ESTANQUES DE MICROALGAS --------------------------------------------------- 22. 2.2.3. LOS FOTOBIORREACTORES ------------------------------------------------------ 23. iv.

(5) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.2.4. VENTAJAS DEL CULTIVO DE MICROALGAS FRENTE A LOS CULTIVOS ENERGÉTICOS TRADICIONALES -------------------------------- 25. 2.3.1. ELECCION DEL METODO MÁS ADECUADO ---------------------------------- 27. 2.3. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ALGAS----------------------------------------- 28. 2.3.2. PROCESO EN ESTANQUES ----------------------------------------------------------- 28. 2.3.3. PROCESO EN FOTOBIOREACTORES---------------------------------------------- 29. 2.3.3. COSECHADO DE LAS MICROALGAS --------------------------------------------- 34. 2.4. APROVECHAMIENTO DE NUTRIENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES - 43. 2.5. BIODIESEL Y USOS --------------------------------------------------------------------- 44. 2.5.2. CARACTERÍSTICAS DEL BIODIESEL ------------------------------------------- 46. 2.5.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BIODIESEL ------------------------------- 50. 2.6.1. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE MICROALGAS --------------------------- 52. 2.6. ABSORCIÓN ------------------------------------------------------------------------------ 60. 2.6.2.. TIPOS DE ABSORCIÓN -------------------------------------------------------------- 62. 2.6.3.. APLICACIONES INDUSTRIALES -------------------------------------------------- 63. 2.6.4.. TIPOS DE EQUIPOS ABSORCIÓN ------------------------------------------------ 64. 2.6.5.. ELECCIÓN DEL DISOLVENTE PARA LA ABSORCIÓN--------------------- 70. 2.6.5.. BALANCE DE MATERIA -------------------------------------------------------------- 72. 2.7. DESTILACIÓN ---------------------------------------------------------------------------- 76. 2.2.1.. TEORÍA DE LA DESTILACIÓN------------------------------------------------------- 77. 2.2.2.. EL DIAGRAMA LÍQUIDO-VAPOR. -------------------------------------------------- 78. 2.2.3.. TIPOS DE DESTILACIÓN -------------------------------------------------------------- 80. 2.2.4.. BEBIDAS ELABORADAS POR DESTILACIÓN ------------------------------------ 90. 2.2.5.. APARATO DE DESTILACIÓN -------------------------------------------------------- 92. 2.2.6.. BALANCE DE MATERIA --------------------------------------------------------------- 93. 2.8. SIMULADORES COMERCIALES Y ELECCIÓN DEL QUE SE USARA ------ 94. 2.9. HUELLA AMBIENTAL DEL BIODIESEL ------------------------------------------- 100. CAPÍTULO III .......................................................................................................... 105 PLANEAMIENTO OPERACIONAL ........................................................................ 105 3.1. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 105. v.

(6) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 3.2 VARIABLES A EVALUAR ................................................................................. 112 3.3 MATERIALES Y EQUIPOS ............................................................................... 112 3.4 ESQUEMA EXPERIMENTAL ............................................................................ 112 3.5 RECOLECCIÓN DE DATOS ............................................................................ 118 3.6 MODELO Y METODOLOGIA A UTILIZAR ..................................................... 126 3.7 ADECUACIÓN Y USO DEL SIMULADOR COMERCIAL A UTILIZAR ............. 137 CAPÍTULO IV .......................................................................................................... 154 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................... 154 4.1.. EVALUACION DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS -------------------------- 154. 4.1.1. MEZCLADOR MIX-100 --------------------------------------------------------------- 154. 4.1.2. REACTOR CSTR----------------------------------------------------------------------- 155. 4.1.3. COLUMNA DESTILADORA CON CONDENSACIÓN TOTAL PARA RECUPERACION DEL METANOL ------------------------------------------------ 156. 4.1.4. COLUMNA DE EXTRACCION DEL GLICEROL ------------------------------- 157. 4.1.5. COLUMNA DE DESTILACIÓN DEL BIODIESEL -------------------------------- 158. 4.1.6. COLUMNA DE DESTILACIÓN DEL GLICEROL -------------------------------- 160. 4.2.. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA, PRÁCTICOS, EN CADA OPERACIÓN USADA ------------------------------------------------------------------ 161. 4.3. IMPORTANCIA DE LA INFORMACIÓN OBTENIDA -------------------------- 161. 4.4. OPTIMIZACIÓN DE VARIABLES DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS -------- 162. 4.5. VALIDACION DE LA INVESTIGACIÓN.------------------------------------------ 165. CONCLUSIONES.................................................................................................... 167 RECOMENDACIONES ........................................................................................... 170 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................... 171 ANEXOS ................................................................................................................. 173. vi.

(7) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 2.1 Esquema de la biosíntesis de lípidos en micro algas ---------- 16 FIGURA 2.2 Esquema del almacenamiento de energía en un micro alga--------------------- --------------------------------------------------------------------- 21 FIGURA 2.3 Invernadero con cultivo de micro algas ---------------------------- 22 FIGURA 2.4 Esquema de fotobioreactor --------------------------------------------- 23 FIGURA 2.5 Fotobioreactor “airemar” de la empresa Biofuels systems -- 24 FIGURA 2.6 Estanque abierto del tipo pista de carrera ------------------------ 27 FIGURA 2.7 Esquema de una sección de un fotobiorreactor ---------------- 31 FIGURA. 2.8. Esquema. de. una. sección. de. un. fotobiorreactor. instrumentado --------------------------------------------------------------------------------- 33 FIGURA 2.9 Separación por filtración tangencial --------------------------------- 34 FIGURA 2.10 Arriba sistema UFTC, abajo Membrana Cerámica ------------ 35 FIGURA 2.11 Decantación Centrifuga con bol imperforado ----------------- 36 FIGURA 2.12 Decantación Centrifuga con canasta perforada --------------- 37 FIGURA 2.13 Proceso de obtención de Micro algas y cosecha -------------- 38 FIGURA 2.14 Coagulación y floculación --------------------------------------------- 38 FIGURA 2.15 Depósito de Floculación Iónica -------------------------------------- 39 FIGURA 2.16 Proceso de secado de las micro algas ---------------------------- 40 FIGURA 2.17 Diagrama de flujo de Producción de biodiesel a partir de micro algas -------------------------------------------------------------------------------------- 50 FIGURA 2.18 Transesterificación de ácidos grasos en ambiente básico 54 FIGURA 2.19 Saponificación y neutralización de ácidos grasos ------------ 56 FIGURA 2.20 Diagrama de Flujos de la obtención del Biodiesel------------ 58 FIGURA 2.21 Empaques al Azar --------------------------------------------------------- 63 FIGURA 2.22 Empaques estructurados ----------------------------------------------- 63 FIGURA 2.23 Partes de una columna de platos ----------------------------------- 66 FIGURA 2.24 Diversos tipos de platos------------------------------------------------ 67 FIGURA 2.25 Columna Absorbedora de Platos para Balance ---------------- 69 vii.

(8) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. FIGURA 2.26 Calculo de numero de etapas grafico ----------------------------- 70 FIGURA 2.27 Diagrama de fases típico para la mezcla de dos sustancias ---------------------------------------------------------------------------------------- 75 FIGURA 2.28 Destilación simple -------------------------------------------------------- 78 FIGURA 2.29 Destilación simple -------------------------------------------------------- 80 FIGURA 2.30 Diagrama de Hausbrand ----------------------------------------------- 82 FIGURA 2.31 Curvas Azeotrópicas ----------------------------------------------------- 83 FIGURA 2.32 Destilación Molecular Centrifuga ----------------------------------- 86 FIGURA 2.33 La producción de biodiesel a partir de micro algas puede contribuir a la mitigación de CO2 y al tratamiento de aguas residuales en un proceso rentable y ambientalmente sustentable -------------------------- 100 FIGURA 3.1. Fotos de Dunaliella salina, Botryococcus braunii, Chlorella. minutissima y Monodus subterraneus (Culture Collection of Autotrophic Organisms (CCALA); fotos de Nannochloris sp. Nitzchia sp. y Dunaliella tertiolecta (Plancton Oceanique Station Biologique of Roscoff; foto de Chlorella vulgaris (Culture Collection of Algae, Charles University in Prague (CAUP) y foto de Nannochloropsis sp. (Ben-Amotz, 2009). ------ 101 FIGURA 3.2 Piscina con cultivo de Botryococcus ------------------------------ 104 FIGURA 3.3 Centrifuga que muestra la recolección de Botryococcus - 105 FIGURA 3.4. Rendimientos de biomasa de Botryococcus cultivado en La. piscina ------------------------------------------------------------------------------------------- 105 FIGURA 3.5. Rendimientos de biomasa de Botryococcus cultivado en La. piscina ------------------------------------------------------------------------------------------- 106 FIGURA 3.6 Diagrama de flujo del proceso de producción de Biodiesel ---------------------------------------------------------------------------------------- 109 FIGURA 3.7 Algoritmo de la Investigación ------------------------------------------- 111 FIGURA 3.8 Entorno Hysys -------------------------------------------------------------- 121 FIGURA 3.9 Administrador del Paquete Básico de la Simulación-------- 123 FIGURA 3.10 Ventana para la creación o instalación del paquete fluido--------------------------------------------------------------------------------------------- 123. viii.

(9) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. FIGURA 3.11 Ventana para la definición del paquete fluido -------------- 124 FIGURA 3.12 Ecuación y nombre del paquete fluido ------------------------- 124 FIGURA 3.13. Selección de los componentes que aparecen en la librería. de HYSYS --------------------------------------------------------------------------------------- 125 FIGURA 3.14 Ventana para la creación de un componente hipotético 126 FIGURA 3.15. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de. componentes ----------------------------------------------------------------------------------- 127 FIGURA 3.16Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido127 FIGURA 3.17 Selección del sistema de unidades --------------------------------- 128 FIGURA 3.18 Exportación de un paquete fluido ------------------------------------ 129 FIGURA 3.19 Determinación de compuestos hipotéticos ------------------ 132 FIGURA 3.20. Ventana para ingresar propiedades del compuesto. hipotético -------------------------------------------------------------------------------------- 132 FIGURA 3.21 Datos ingresados en la pestaña Critical ----------------------- 132 FIGURA 3.22 Lista de Componentes ----------------------------------------------- 133 FIGURA 3.23 Lista de Paquetes termodinámicos ------------------------------ 134 FIGURA 3.24 Corriente 1---------------------------------------------------------------- 134 FIGURA 3.25 Corriente 2---------------------------------------------------------------- 135 FIGURA 3.26 Ubicación de Bombas y Mezclador ------------------------------ 136 FIGURA 3.27 Añadiendo reacciones y constantes cinéticas --------------- 137 FIGURA 3.28 Reactor R-1, hoja 1 de 4 --------------------------------------------- 137 FIGURA 3.29 Reactor R-1, hoja reactions ----------------------------------------- 138 FIGURA 3.30 Reactor R-2, hoja reactions ----------------------------------------- 138 FIGURA 3.31 Torre de recuperación del metanol ----------------------------- 139 FIGURA 3.32 Torre de recuperación del metanol, 1ra ventana ---------- 140 FIGURA 3.33 Torre de recuperación del metanol, 2da ventana --------- 140 FIGURA 3.34 Torre de recuperación del metanol, 3ra ventana ---------- 141 FIGURA 3.35 Torre de recuperación del metanol, 4ta ventana ----------- 141 FIGURA 3.36. Variable agregada en el domo. mediante la propiedad. ix.

(10) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Component Fraction ----------------------------------------------------------------------- 142 FIGURA 3.37. Variable agregada en el fondo mediante la propiedad. Component Fraction ----------------------------------------------------------------------- 142 FIGURA 3.38 Columna de extracción liquido - liquido ---------------------- 143 FIGURA 3.39. Flujos e información necesaria para la columna T-2 de. destilación ------------------------------------------------------------------------------------- 144 FIGURA 3.40. Flujos e información necesaria para la columna T-3 de. destilación ------------------------------------------------------------------------------------- 145 FIGURA 3.41. Diagrama de flujo Final de la producción de biodiesel a. partir de aceite de algas ------------------------------------------------------------------ 146 FIGURA 4.1 Composición de la Mezcla total de alimentación ------------- 147 FIGURA 4.2 Condiciones de operación de la Mezcla -------------------------- 147 FIGURA 4.3 Conversión de las reacciones de transesterificación -------- 148 FIGURA 4.4 Productos y composición obtenida después de la reacción148 FIGURA 4.5 Medidas del reactor a utilizar para el proceso ----------------- 149 FIGURA 4.6 Perfil de Temperatura en los platos partiendo del superior, en la destilación del metanol ----------------------------------------------------------- 149 FIGURA 4.7 Composición de flujos en la columna Destiladora de metanol -- 150 FIGURA 4.8 Dimensiones del Condensado y Reboiler ----------------------------- 150 FIGURA 4.9 Condiciones de operación --------------------------------------------- 150 FIGURA 4.10 Composición de los flujos del extractor ------------------------ 151 FIGURA 4.11 Composición de los flujos del destilador del FAME -------- 151 FIGURA 4.12 Condiciones de operación de la columna de destilación - 151 FIGURA 4.13 Perfil de flujos en los platos partiendo del superior ------- 152 FIGURA 4.14 Dimensiones del Condensador y del Reboiler ---------------- 152 FIGURA 4.15 Columna de enriquecimiento del glicerol ---------------------- 153 FIGURA 4.16 Perfil de Temperatura de la Columna T-3 --------------------------- 153 FIGURA 4.17 Condiciones de operación de la columna destiladora ----- 153 FIGURA 4.18 Dimensiones condensador y Reboiller columna de glicerol ------------------------------------------------------------------------------------------ 154 x.

(11) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 2.1 Comparación de distintas fuentes de materia prima para la producción de biodiesel. ---------------------------------------------------------- 10 TABLA 2.2 Grupos más importantes de micro algas en términos de abundancia ---------------------------------------------------------------------------------------- 13 TABLA 2.3 Contenido lipídico y productividad de diferentes especies de micro algas ---------------------------------------------------------------------------------------- 15 TABLA 2.4 Métodos de cultivo de micro algas--------------------------------------- 26 TABLA 2.5 Tipos de estanques de Micro alga ---------------------------------------- 26 TABLA 2.6 Producción de Oleaginosas por Hectárea ----------------------------- 44 TABLA 2.7 Comparación Biodiesel- Petro Diesel en Motor Diesel ------------ 45 TABLA 2.8 Otra comparación Biodiesel- Diesel-------------------------------------- 47 TABLA 2.9 Fórmula estructural para los ácidos grasos presentes en el biodiesel -------------------------------------------------------------------------------------------- 47 TABLA 2.10 Estándares de calidad del biodiesel según normas técnicas internacionales y nacionales ---------------------------------------------------------------- 48 TABLA 2.11 Rendimiento del Catalizador --------------------------------------------- 55 TABLA 3.1 Abundancia de tipos de lípidos en Botryococcus braunii ----- 106 TABLA 3.2 Energías de activación y constantes de velocidad de reacción de aceite algas a 60 °C -------------------------------------------------------------------------- 115 TABLA 3.3 Constituyentes de Hidrocarburos de petróleo de Botryococcus braunii --------------------------------------------------------------------------------------------- 117 TABLA 3.4 Propiedades de los ácidos grasos de Botryococcus braunii -- 118 TABLA 3.5 Propiedades de los esteres metílicos --------------------------------- 118 TABLA 3.6 Composición de los ácidos grasos de lípidos en algas -------- 119 TABLA 3.7 Composición de ácidos grasos a utilizar ---------------------------- 120. xi.

(12) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN El ámbito geográfico al que se circunscribirá este estudio, será específicamente al Área de Medio Ambiente y Simulación en la Escuela de Ingeniería Química. En la actualidad la contaminación ambiental por CO2 es muy grande de tal manera que se está generando el efecto invernadero, que ocasiona el deshielo de los glaciares mundiales, para poder detener esta problemática se ha pensado en general un mayor cultivo de árboles, para el control de emisión de este gas, pero sin embargo estas. medidas. mitigadoras. no. están. dando. un. resultado. contundente para poder controlar este problema, haciéndose de suma urgencia incrementar nuevas soluciones que contribuyan a este objetivo. Por lo expuesto líneas arriba es de suma importancia diseñar un proceso químico industrial que nos permita obtener micro algas a nivel industrial las cuales se encargaran de consumir el CO2 del medio ambiente y algunos nutrientes para su desarrollo, las que adicionalmente podrían asegurar su consumo de nutrientes, partiendo de las aguas residuales que se generan en las ciudades. Con estas micro algas, generaríamos un proceso de obtención de Biodiesel, que es un combustible biodegradable, mediante un proceso de simulación, buscando adecuar las mejores variables de operación para una producción de calidad y rentable. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Obtener micro algas a nivel industrial con rendimientos altos de aceite, como materia prima que permita generar un biodiesel mediante. simulación,. estrategia. que. podría. contribuir. a. la. mitigación de la contaminación del aire por CO2 y la purificación de. 2.

(13) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. aguas residuales, contribuyendo al control medioambiental. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS . Investigar sobre micro algas adecuadas y su procedimiento de cultivo.. . Generar el diagrama de flujos a utilizar en el proceso de producción industrial de estas algas.. . Investigar la caracterización fisicoquímica de las microalgas.. . Generar el diagrama de flujos a utilizar en el proceso de producción industrial del biodiesel.. . Simular y optimizar las condiciones de operación más adecuadas en el proceso industrial del Biodiesel, mediante un simulador comercial.. . Caracterizar la mitigación de CO2 que se consigue con este proceso, así como en la purificación de las aguas residuales. 1.3 HIPÓTESIS Es factible generar un proceso industrial para obtener micro algas, a. partir. de. las. cuales. producir. Biodiesel. industrialmente,. optimizando las variables, mediante simulación, con un simulador comercial, que permita mitigar la contaminación de la atmosfera con CO2 y recuperar las aguas residuales. 1.4 JUSTIFICACIÓN 1.4.1 JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA  Poder establecer un proceso de producción optimizado, que permita obtener biodiesel a partir de la industrialización de micro algas, con lo que se pueda producir una tecnología que permita mejorar la huella ambiental debido al CO2 que se genera en la combustión de los combustibles tradicionales, contribuyendo a evitar el calentamiento global de por si justifica el enfoque tecnológico que pueda utilizar el ingeniero químico en atención a la humanidad, y que nos. 3.

(14) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. permite salir del mundo de los consumidores de tecnología y nos puede convertir en nación industrializada.  Una de las funciones del ingeniero Químico peruano es crear tecnología que permita industrializar el país. 1.4.2 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA  El conseguir darle valor agregado a nuestra materia prima ya es una gran justificación económica. Pero además si el proceso. de. simulación. optimización y. solo. lo. conseguimos. generamos. pruebas. mediante finales. de. comprobación de las condiciones a nivel de laboratorio o planta piloto nos justifica un gran ahorro económico y de gasto investigativos repetitivos en el laboratorio. 1.4.3 JUSTIFICACIÓN AMBIENTAL  El contribuir a la eliminación del CO2, que es el que ocasiona el calentamiento global, es una gran contribución a proteger el medio ambiente, además la producción de algas requiere de nutrientes los cuales pueden ser encontrados en las aguas residuales, contribuyendo a la descontaminación del agua. Con estas algas que contienen un elevado porcentaje de aceites es factible la producción de biodiesel, combustible altamente ecológico. 1.4.4 ALCANCES . Obtener un proceso industrial optimizado mediante un simulador comercial llevado a cabo en el laboratorio de cómputo mediante el uso de Hy Sys.. . Generar una tecnología que le de valor agregado a la materia prima que son las algas.. 1.4.5 RESTRICCIONES . Que al no contar con una planta piloto de este proceso industrial. deberá. de. asumirse. que. los. resultados. 4.

(15) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. obtenidos son los más aproximados para las condiciones de operación que se están buscando. Dándole crédito al simulador, que dicho sea de paso cada año estos simuladores cuentan con una mayor exactitud que a se asemeja a la realidad. 1.5 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS Respecto a este Tema en la escuela de Ingeniería Química no se encuentran antecedente investigativo sobre la producción de Biodiesel a partir de algas ricas en aceites.. 5.

(16) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. CAPÍTULO II MARCO CONCEPTUAL 2.1 ALGAS Y SUS PROPIEDADES MÁS ADECUADAS PARA EL BIODIESEL Las algas son organismos eucarióticos que poseen clorofila lo que les provee la capacidad de llevar a cabo fotosíntesis. Son los organismos. fotosintéticos. más. importantes. sobre. la. Tierra,. capturan más energía solar y producen más oxígeno que todas las plantas combinadas Se han descrito más de 23,000 especies de algas, éstas varían en tamaño desde microscópicas hasta cientos de metros. Cinco mil especies de algas han perdido los pigmentos fotosintéticos por lo tanto existen como saprófitos o parásitos. Debido a la pérdida de los pigmentos fotosintéticos las algas han desarrollado un sinnúmero de relaciones simbióticas con otros organismos como: corales, osos, hongos, organismos marinos, copépodos, anélidos y otros. Encontramos algas en suelo, en ríos, en lagos y en el mar. También pueden encontrarse en fuentes termales y regiones polares. Utilizan sustratos como piedras y corteza de árboles, algunas se encuentran. flotando. en. el. agua. mediante. estructuras. especializadas que almacenan aire. Otras son epífitas (crecen sobre plantas) y otras son endófitas (viven dentro de otras plantas). Dentro de este grupo de organismos encontramos el fitoplancton, que son algas microscópicas que viven dispersas en las aguas y son fuente importante de alimento en el ambiente donde estén presentes. Las siguientes propiedades son importantes para clasificar las algas: la química y morfología de la pared celular, la forma de almacenar los productos de fotosíntesis, el número de flagelo, la morfología de la célula, el hábitat donde se encuentren y las estructuras de reproducción.. 6.

(17) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.1.1.. DIVISIONES PRINCIPALES DE ALGAS. ALGAS UNICELULARES Chrysophyta son las algas doradas, verdes amarillas y diatomeas. Consisten de aproximadamente 500 especies. Son organismos unicelulares con 1 ó 2 flagelos. La mayoría de estas algas son flageladas. Muchas de estas no poseen una pared celular definida, pero poseen una estructura esqueletal de sílica bastante elaborada que. puede. ser. superficial. o. externa.. La. reproducción. es. mayormente asexual por medio de zoosporas. Euglenophyta esta división incluye los euglenoides flagelados fotosintéticos. Los euglenoides se encuentran en agua fresca, mar, aguas. negras. y. suelos. húmedos.. El. género. representativo. es Euglena (ver figura en el capítulo). Una característica única de este grupo es el producto de almacenaje primario del proceso de fotosíntesis llamado paramilón. Pyrrophyta es la división de los dinoflagelados, estos son unicelulares,. fotosintéticos. y. mayormente. marinos.. Algunas. especies son bioluminicentes, otras son responsables de las mareas rojas. Un aumento desmedido de dinoflagelados cerca de las costas es responsable de producir grandes cantidades de toxinas capaces de matar la mayoría de los peces en esas áreas. Algas multicelulares Rhodophyta Estas son algas rojas, predominantemente marinas, algunas 200 especies son de agua dulce. La presencia de 3 pigmentos diferentes le da su color rojo o rosado. La mayoría de estas algas son multicelulares y macroscópicas, algunas son unicelulares, otras forman agregados y algunas forman filamentos. Algas rojas como la Coralina acumulan carbonato de calcio, dándole una rigidez parecida a rocas. Las algas rojas se distinguen de las demás por las siguientes características:  Poseen ficobiliproteínas - estas pueden absorber a largos de. 7.

(18) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. onda azul y verde, como estos largos de onda penetran las capas más profundas del mar estas algas pueden encontrarse a profundidades de más de 200 m.  Estas no poseen flagelo en ninguna etapa de sus vida. La pared celular de estas algas posee una matriz mucilaginosa. Esta matriz está compuesta de polímeros llamados agar, carrageno, profisan y funori. Phaeophyta (algas pardas o marrones) Estructuralmente es el grupo más avanzado, y contienen varios tipos de clorofila (a y c). Este grupo incluye formas unicelulares, coloniales y filamentosas no ramificadas. Un gran número de especies son macroscópicas, aquí. se. incluyen. las. algas. gigantes. o. "kelps".. Estas. son. predominantemente marinas y crecen en forma exuberante en regiones templadas. La pared de las algas pardas está compuesta de celulosa y una capa exterior de ácido algínico amorfo y el polisacárido fucoidina, estos polisacáridos mucilaginosos son de importancia comercial. Las algas pardas más evolucionadas poseen un sistema de transporte de carbohidratos similar a las plantas vasculares. Este sistema. puede. trasportar. el. producto. de. fotosíntesis. (principalmente manitol) a una razón de 70 cm/hr. Una célula típica de alga parda posee un núcleo central y varios cloroplastos, vacuolas y otros organelos. Además de clorofila a, c1, y c2, poseen fucoxantina (pigmento que le da el color pardo o marrón). El alimento es almacenado en forma de laminaria, un carbohidrato soluble y en menor grado manitol. Chlorophyta De esta división se han descrito aproximadamente 10,000 especies. Aquí encontramos diversas formas que van desde unicelulares sin pared hasta algas coloniales, desde microscópicas filamentosas hasta macroscópicas multicelulares. La mayoría de este grupo posee clorofila a y b, sin embargo algunas han perdido. 8.

(19) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. los pigmentos fotosintéticos y viven dentro de las células de otros organismos como Paramecium, Hydra y esponjas. Otras especies de este grupo son parásitos, un ejemplo es Prototheca. Esta es un alga unicelular sin color que causa una lesión subcutánea severa en humanos y otros animales. Entre. las. algas. verdes. unicelulares. coloniales. tenemos. a Chlamydomonas. Dentro de las no mótiles y coloniales tenemos a Pandorina (16 a 32 células) y a Volvox (500 a 60,000 células). Dentro del grupo de algas verdes filamentosas y membranosas simples tenemos a Ulothrix. Por otro lado tenemos a Spirogyraque es un alga filamentosa no ramificado que se reproduce por conjugación. El grupo de las sifonáceas posee una organización celular característica con una forma externa elaborada. En este grupo encontramos a Caulerpa y Valonia. Las células de ésta última poseen numerosos núcleos y plastidios y el citoplasma está encerrado por una pared de múltiples capas. El alga unicelular no mótil Chlorella se encuentra en agua no salada y ambientes marinos. Chlorella sólo se reproduce asexualmente. Algunas especies de este género se cultivan hoy día para utilizarla como fuente de proteínas para humanos. 2.1.2. MATERIA PRIMA PARA LA SÍNTESIS DE BIODIESEL. Los principales sustratos empleados para producir biodiesel son aceites vegetales extraídos de plantas oleaginosas, cuyo costo representa cerca del 70% del costo total de producción (Behzadi y Farid, 2007); lo cual indicaría que los aceites vegetales más apropiados. son. aquellos. de. cultivos. con. las. mayores. productividades por hectárea (Tabla 2.1) o aceites de bajo costo como aceites de cocina gastados (Robles-Medina et al., 2009). La constitución básica de los aceites vegetales es del 90-98% de triglicéridos y una pequeña cantidad de mono y diglicéridos; los cuales contienen usualmente ácidos grasos libres, agua, esteroles, 9.

(20) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. fosfolípidos, odorantes y otras impurezas (Srivastava y Prasad, 2000). Las ventajas que ofrecen los aceites vegetales como materia prima para biodiesel son su portabilidad, disponibilidad inmediata, regeneración, bajo contenido de sulfuros, alto contenido calórico (aproximadamente 88% del combustible D2) y biodegradabilidad (Balat et al., 2010). Las principales desventajas son la alta viscosidad, baja volatilidad, la reactividad de las cadenas de hidrocarburos insaturados y la competencia por suelos cultivables y alimento humano (Demirbas.,2010). TABLA 2.1. Comparación de distintas fuentes de materia prima para la producción de biodiesel. Superficie Rendimiento Productividad equivalente Organismo de de Biodiesel requerida Aceite(L/ha) (L/ha/año) (hax106) a Palma 2400 5950 3.972 a Jatropha 1300 1892 12.490 a Colza 1100 1190 19.859 a Girasol 690 952 24.823 a Soja 400 446 52.986 b Microalga 18750 12000 1.969 c Microalga 58760 a b. c. (Schenket al., 2008). Phaeodactylumtriconutum, 20% aceite (% peso) en biomasa a 5 g lípidos/m2 día. 30% aceite (% peso) en biomasa (Chisti, 2007). FUENTE: Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Sistema de Información Científica. Una alternativa al uso de aceites vegetales como fuente para la generación de biodiesel es el aceite gastado de cocina (AGC) como medida para reducir costos de producción, el AGC sería una buena opción como material crudo debido a que es 2-3 veces más barato que el aceite vegetal virgen (Srivastava y Prasad, 2000). La conversión de AGC en metil-ésteres mediante el proceso de transesterificación reduce la viscosidad a una séptima parte, reduce. 10.

(21) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. el peso molecular a una tercera parte, incrementa ligeramente la volatilidad, y reduce el punto de fluencia considerablemente (Demirbas, 2009). Sin embargo, la producción de biodiesel a partir de AGC es un gran reto debido a la presencia en gran cantidad de componentes indeseables como ácidos grasos libres y agua (Balat y Balat., 2010), que disminuyen la eficiencia de bio conversión del biodiesel. Otro grupo de fuentes potenciales para la producción de biodiesel son las grasas de origen animal. Las principales grasas animales empleadas son sebo, grasa blanca o manteca, grasa de pollo y grasa amarilla (Balat y Balat, 2010). Estas grasas, comparadas con los cultivos de plantas, ofrecen una gran ventaja económica; ya que presentan una conversión favorable en biodiesel debido al alto número de cetano, nula corrosión y bajas concentraciones de ácidos grasos libres y agua, (Robles-Medina el ai. 2009) pero existe una cantidad disponible muy limitada, lo que significa que esta fuente nunca será capaz de cubrir las necesidad energéticas del mundo (Sheedlo, 2008). A pesar de las ventajas con el medio ambiente que ofrece la producción de biodiesel a base de aceites de cultivos vegetales, su escalamiento a grandes cantidades tiende a no ser sustentable ya que cerca del 13.5% de los humanos en el mundo tienen desnutrición (Organización de. las. Naciones Unidas para la. Alimentación y la Agricultura, 2011) lo que indica una alarmante necesidad de granos y otros cultivos alimentarios básicos con potencial para la generación de biodiesel, además de competir por tierras cultivables (Balat y Balat.,2010; Demirbas. 2009). Ante esta problemática se ha enfatizado el interés por parte de investigadores, emprendedores y el público en general en el uso de micro algas como fuente para producir biocombustibles (Chisti, 2011; Scott et ai, 2010), esto por su alto contenido lipídico en su estructura celular, ventajas ambientales y su rápida generación de. 11.

(22) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. biomasa a comparación de las plantas (Chisti, 2007). Los cultivos de micro algas pueden realizarse en áreas sumergidas, tierras infértiles e incluso con agua de mar (Singh el ai, 2011). Aunado a eso, el cultivo de biomasa algal aparte de proveer materia prima de biocombustibles, tiene un impacto ambiental favorable al reducir la concentración de gases de efecto invernadero, debido a que. utiliza grandes. cantidades de. CO2. durante. su cultivo. (Demirbas. 2010). 2.2.1 MICROALGAS Existen tres principales clases de microorganismos que utilizan la energía de la luz: a) Las cianobacterias, que presentan fotosíntesis isoxigénica, en la cual se produce O2 y presentan fotosistemas I y II y fijan el C02. b) Eubacterias fotosintéticas, que realizan fotosíntesis anaerobia, no producen 02 y solo presentan el fotosistema I. y c) Halobacterias, no presentan clorofila ni transporte fotosintético de electrones. Poseen una bomba de protones dependiente de la luz, la cual produce energía pero no poder reductor. Requiere de una fuente orgánica de carbono. Las micro algas son organismos unicelulares microscópicos (2-200 m),. polifíléticos,. su. metabolismo. puede. ser. autótrofo. o. heterótrofo y suelen ser eucariontes, aunque las cianobacterias procariontes son frecuentemente incluidas como micro algas (Greenwell el ai, 2009). Diversas especies crecen con fuentes orgánicas de carbono y en ausencia de una fuente lumínica, estas condiciones son propias de cultivos heterótrofos (Iluang et ai, 2010). A pesar de que se han reportado altas productividades de biomasa y contenido lipídico en la estructura celular, los sistemas heterótrofos son susceptibles a contaminación (Amaro et al., 2011), promueven la insaturación de los ácidos grasos sintetizados (Pérez-García et al, 2011) y los. 12.

(23) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. costos de las fuentes orgánicas de carbono tienden a complicar la factibilidad de escalamiento del proceso a nivel industrial. Por otro lado, existen micro algas con metabolismo autótrofo, las cuales requieren únicamente compuestos inorgánicos como CO2, sales, agua y una fuente de energía lumínica para su crecimiento (Brennan y Owende, 2010). La historia evolutiva de las micro algas se puede categorizar por la pigmentación, ciclo de vida y estructura celular (Brennan y Owende., 2010). Así, las micro algas procariontes se clasifican en dos divisiones: Cyanophyta y Prochlorophyta y las eucariontes en nueve: Glaucophyta, Rhodophyta, Heterokontophyta, Haptophyta, Cryptophyta,. Dinophyta,. Euglenophyta,. Chlorarachniophyta. y. Chlorophyta (Mutanda et al, 2010). Sin embargo, según Khan et al, (2009) la clasificación de micro algas se realiza en cuatro grupos debido a su abundancia: diatomeas, algas verdes, algas verde-azules y algas doradas (Tabla 2.2). Esta diversidad muestra un gran potencial de explotación de éstos microorganismos para la producción de productos de alto valor agregado y biocombustibles (Chisti, 2007). TABLA 2.2: Grupos más importantes de micro algas en términos de abundancia.. Diatomeas {Bacillariophycea). Especies conocidas (aprox.) 100000. Algas verdes {Chlorophyceae) Algas verde-azules (Cyanophyceae) Algas doradas (Cfowopkyceae). Microalga. Material almacenado. Hábitat. Quirsolaminarín (polímero de carbohidratos) y TAGs. Océanos, agua dulce y salobre. 8000. Almidón y TAGs. Agua dulce. 2000. Almidón y TAGs. 1000. TAGs v carbohidratos. Diferentes hábitats Agua dulce. TAGs = Triacilgliceroles. FUENTE: (Khan et al., 2009).. Micro algas oleaginosas Las micro algas contienen ácidos grasos como componentes de su. 13.

(24) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. membrana, productos de almacenamiento, metabolitos y fuente de energía (Demirbas y Demirbas., 2010). Estos microorganismos representan una opción viable como materia prima para producir biodiesel (TABLA 2.1), debido a la mayor productividad de biomasa y mayor velocidad de replicación con respecto a plantas cultivables (Chisti, 2007), algunas especies pueden acumular entre 20-80% (peso seco) de triglicéridos (Chisti, 2011), no requieren terrenos cultivables para el crecimiento celular y no compiten por alimento humano (Amaro et al, 2011). Para la producción exitosa de biodiesel empleando micro algas como sistemas biológicos para la acumulación de biomasa y lípidos, el primer punto crítico es buscar e identificar cepas híper productoras de lípidos (Mutanda el al, 2010). A pesar de que el intervalo de lípidos contenidos en micro algas (Cuadro 3) oscila entre 1-75% (peso seco), algunas especies pueden alcanzar hasta el 90% (peso seco) bajo condiciones específicas de cultivo (Chisti, 2007; Yeesang y Cheirsilp., 2011). Para elegir una cepa se debe considerar una estrategia de selección en base a diversos criterios que sean prácticos a los siguientes problemas: a) velocidad de crecimiento, cuantificado normalmente por biomasa total acumulada por unidad de tiempo y unidad de volumen; b) cantidad y calidad lipídica; c) respuesta a alteraciones del ambiente, se consideran variaciones de temperatura, entrada de nutrientes y fuente lumínica, así como competencia con otras especies de micro algas o bacterianas; d) velocidad de absorción y afinidad por nutrientes, particularmente CO2, nitrógeno y fósforo; e) cultivo de biomasa sencillo para su posterior procesamiento (Amaro el al, 2011; Singh et al. 2011; Ugwu et al, 2008). Biosíntesis de lípidos en micro algas Los efectos en los cultivos microalgales dependientes de la luz son de gran relevancia, ya que están relacionados directamente con el proceso de fotosíntesis (Marwood y Guschina.. 2006). En micro. 14.

(25) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. algas verdes, la ruta metabólica para la síntesis de ácidos grasos empieza por la unión del complejo luz-biomasa, el cual está mediado por la clorofila II y carotenoides, los cuales capturan la energía lumínica en forma de fotones (Fig. 2.1). La energía es empleada por el fotosistema II en la oxidación catalítica del agua, formando protones, electrones y O2 molecular. Los electrones se transportan mediante la cadena de transporte fotosintética para promover la producción de NADPH mediante la reducción de ferredoxina. Dentro del lumen tilacoidal se genera un gradiente electroquímico, debido a la liberación de protones después de la oxidación de agua; el cual se emplea para la formación de ATP mediante la vía ATP sintasa. Los productos de la fotosíntesis NADPH y ATP son sustratos del ciclo de Calvin (Beer et aL, 2009); donde la enzima Rubisco cataliza la conversión de CO2 y ribulosa-5fosfato. en. dos. triosas,. las. cuales. son. convertidas. subsecuentemente en piruvato y acetil-CoA (Stephanopoulos et al., 2008). TABLA 2.3. Contenido lipídico y productividad de diferentes especies de micro algas. Cultivo. Agua dulce. Agua Marina. Especie de micro alga Botryococcussp. Chlorellaemersonni Chlorellavulgarís Chlorellasp. Chlorococcumsp. Scenedesmusobliquus Scenedesmusquadricauda Scenedesmussp. Dunaliella salina Dunaliellasp. Nannochlorissp. Nannochloropsisoculata Nannochloropsissp. Neochlorisoleoabundans Paviova salina Spirulinaplatensis. Contenido lipídico (% peso seco) 25.0-75.0 25.0-63.0 5.0-58.0 10-0-48.0 19.3 11-0-55.0 1.9-18.4 19.6-21.1 6.0-25.0 17.5-67.0 20.0-56.0 22.7-29.7 12.0-53.0 29.0-65.0 30.9 4.0-16.6. Productividad lipídica (mg L-1 d-1) 10.3-50.0 11.2-40.0 42.1 53.7 35.1 40.8-53.9 116.0 33.5 60.9-76.5 84.0-142.0 60.9-76.5 90.0- 134.0 49.4 -. FUENTE: Mata et al. 2010.. 15.

(26) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Las. moléculas. de. acetil-CoA. son. carboxiladas. dentro. del. cloroplasto por acetil-CoAcarboxilasa (ACC) para la síntesis de malonil-CoA (Hu et al., 2008), molécula que es transferida a la proteína acarreadora de grupos acil (ACP) del complejo multienzimático sintasa de ácidos grasos (SAG); donde la subunidad cetoacil-ACP sintasa (CAS) cataliza la condensación de malonil-ACP mediante tres reacciones cíclicas: reducción, deshidratación y reducción; condensando el producto con otra molécula de malonilCoA (Harwood y Guschina., 2006). El ciclo se repite hasta formar cadenas saturadas de ácido palmítico (16:0) o esteárico (18:0). La enzima ACP-sintasa abre la cadena acil y libera el ácido graso (Scott el al, 2010). FIGURA 2.1. Esquema de la biosíntesis de lípidos en micro algas. FUENTE: Beer et al. 2009. La formación de triacilgliceroles se lleva a cabo en el retículo endoplasmático, en órganelos especializados llamados plástidos, donde se producen Lípidos neutros con la finalidad de almacenar energía y liberar espacio dentro de la célula (Rajakumari el al, 2008).. 16.

(27) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. La primera reacción para la síntesis de triaciIgliceroles (TAG) es la condensación (acilación) de glicerol-3-fosfato (G3P) con acil-CoA para formar lisofosfátido (LPA), el cual es catalizado por acil-CoA: glicerol-.sn-3-fosfato acil-transferasa (GPAT) y otra molécula de acilCoA para producir fosfatidato (PA) (Beer el al, 2009; Scott el al., 2010). Posteriormente, PA puede ser desfosforilado por la enzima ácido. fosfatidico. fosfatasa. (PAP). para. formar. diacilglicerol.. Finalmente, la síntesis de TAG es catalizada por acil-CoA: diacilglicerolacil-transferasa (DGAT), la cual incorpora un tercer grupo acil-CoA a la molécula diacilglicerol, los TAGs resultantes son almacenados en cuerpos de aceites (Murphy, 2001), los cuales son la materia prima para obtener biodiesel. Mejoramiento de la producción de lípidos en microalgas La producción de lípidos depende de la especie de micro alga y de parámetros ambientales tales como la intensidad y el tipo de luz, la composición del medio de cultivo, temperatura, pH y la asociación con otros microorganismos (Beer el al, 2009). Los cultivos de micro algas presentan la ventaja de que el contenido lipídico puede ser controlado en función de las condiciones de cultivo, principalmente mediante la limitación de nutrientes (Chisti, 2007). Numerosos estudios reportan que las algas verdes triplican su contenido lipídico durante los primeros 4 a 9 días de ausencia de nitrógeno en el medio, ésta condición también modifica el perfil lipídico, ya que se han documentado situaciones. en. las. cuales. esta. insuficiencia. incrementa. la. proporción de triglicéridos y reduce los lípidos polares (Hu et al, 2008). El alto contenido de lípidos está asociado a la síntesis de triaciIgliceroles (TAG), lípidos con alto porcentaje de ácidos grasos y ausencia de fosfato, que son ideales para la producción de biodiesel por su baja sensibilidad a la oxidación (Pruvost et al, 2009).. Hasta. el. momento. la. estrategia. de. limitación. de. 17.

(28) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. macronutrientes ha sido el método más empleado para direccionar el flujo metabólico de lípidos (Courchesne el ai, 2009). Se han reportado estudios donde la deficiencia de nutrientes como hierro y fósforo induce la producción de lípidos y cesa el crecimiento celular; sin embargo la limitación de nitrógeno es el factor nutricional más documentado debido a que no solo promueve la producción de lípidos en micro algas, sino también su acumulación en cuerpos de aceites (Li et al, 2008). Se han estudiado diferentes especies de microalgas con elevado contenido lipídico, principalmente con la capacidad de acumular TGA en su estructura celular. Entre las especies de mayor interés se encuentra. Neochlorís. oleoabundans. cuyo. porcentaje. lipídico. alcanza hasta el 65% de peso seco y tiene la capacidad de acumular TGA en condiciones de limitación de nitrógeno, los grupos de investigación de Pruvost et al (2009) y Li et al, (2008) observaron que la fuente de nitrógeno más favorable para el crecimiento celular y producción de lípidos en N. oleoabundans es nitrato de sodio, mostrando mejores rendimientos que urea y bicarbonato de amonio; también observaron un aumento en la concentración lipídica conforme disminuía la concentración de nitrato de sodio en el intervalo de concentración 3-20 mM. Sin embargo, una gran desventaja de la estrategia de flujo metabólico inducido es que la limitación de nutrientes o el estrés fisiológico requerido para la acumulación de lípidos en la célula está asociado con la reducción del proceso de división celular y la baja. velocidad. de. crecimiento. (Ratledge.. 2002).. Las. productividades lipídicas elevadas y los altos contenidos de biomasa son mutuamente excluyentes, es decir, la presencia de nitrógeno promueve altas velocidades de. crecimiento y un. contenido lipídico bajo, mientras que la deficiencia de nitrógeno reduce la velocidad de crecimiento y resulta en un contenido de lípidos elevado (Cheng el ai, 2010). Y debido a que los lípidos. 18.

(29) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. microalgales son productos intracelulares, la productividad lipídica global es proporcional al contenido lipídico celular multiplicado por la productividad de biomasa, obteniendo bajas cantidades de producción lipídica debido a la baja producción de biomasa (Courchesne et al, 2009). Por ello, se han considerado diferentes especies de Chorella y Scenedesmus como candidatos para la producción comercial de lípidos debido a su rápido crecimiento y fácil cultivo (Pruvost et al, 2009). Se han reportado en C. emersonni, C. minutissima, C. vulgarís y C. pyrenoisa rendimientos de 63%, 57%, 40% y 23% de peso seco de acumulación lipídica en medio limitado de nitrógeno, respectivamente (Cheng et al, 2010). Mientras que S. rubescens, S. obliquus. y. S.. dimorphus. son. capaces. de. acumular. altas. concentraciones de biomasa en condiciones normales de cultivo e incrementar la concentración de ácidos grasos de metil esteres (AGME) en periodos cortos de limitación de nitrógeno, con productividades de hasta 0.133 g/L/d de AGME, considerándose cepas potenciales para la producción de biodiesel por el método de flujo metabólico inducido (Lin y Lin., 2011). Una estrategia sugerida es el cultivo por dos etapas, la primera etapa enfocada al crecimiento celular empleando medio de cultivo con concentraciones suficientes de macronutrientes, y la segunda etapa direccionada a la acumulación de lípidos mediante el uso de otro medio de cultivo con limitación de nutrientes u otro estrés fisiológico (Courchesne et al., 2009). Modificación genética Recientemente. se. ha. visto. que. diferentes. tipos. de. microorganismos, incluyendo micro algas, bacterias, levaduras y hongos pueden producir aceites (Li et al., 2008). Para el caso de los últimos tres, al ser heterótrofos, el costo de los medios de cultivo podría incrementarse haciendo que la producción de lípidos para producir biodiesel no resulte rentable. Las microalgas eucariotas. 19.

(30) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. tienen la ventaja de que son fotosintéticas y por ello solo requieren de algunas sales, luz y C02 para crecer. Sin embargo, se ha visto que la acumulación de grandes cantidades de lípidos, en forma de materiales de reserva, ocurre bajo condiciones de estrés, lo cual resulta en un crecimiento celular lento. Las cianobacterias, representan una alternativa atractiva ya que además de hacer fotosíntesis, crecen rápido y pueden acumular altos niveles de lípidos.. En. contraste. con. las. microalgas. eucariotas,. las. cianobacterias acumulan lípidos en las membranas tilacoidales, las cuales. están. directamente. asociadas. con. altos. niveles. de. fotosíntesis y una tasa alta de crecimiento. El alga verde Chlamydomotioas reinhardii, que es uno de los organismos modelo en el estudio de la síntesis de lípidos por algas verdes, tiene su genoma. totalmente. secuenciado. y. puede. ser. transformado. mediante diferentes métodos, entre ellos la biobalística. Sin embargo, no se cuenta con herramientas para la manipulación genética de las algas eucarióticas reportadas como altamente productoras de lípidos como Botryococuus hratmni (Brown et al., 1969;. Banerje. Nannochloropsis. et sp,. al.,. 2002;. Neochloris. Metzger. y. Largeau,. oleoaburidands,. 2005),. Nitschia. sp.. (Chisti, 2007). La manipulación genética de las cianobacterias resulta más fácil ya que algunas cianobacterias son naturalmente transformables mientras que otras han podido ser transformadas por conjugación o electroporación. Existen vectores y herramientas de mutagénesis para numerosas cianobacterias unicelulares y filamentosas, además de que numerosas cianobacterias tienen su genoma secuenciado y anotado (Koksharova y Wolk, 2002). Synechocystisos la cianobacteria modelo para la producción de biodiesel, su genoma ha sido secuenciado y su manipulación genética es posible (Rittman, 2008), pero ha sido poco explotada.. 20.

(31) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.2 MÉTODOS DE CULTIVO DE ALGAS Y ELECCIÓN DEL MÉTODO MÁS ADECUADO Las microalgas crecen de manera espontánea en ambientes acuáticos y húmedos. Sin embargo pese a su abundancia en la naturaleza, para la producción de biocombustibles en masa se lleva a cabo su cultivo controlado en plantas en tierra firme. Diversas son las causas que llevan a ello: Por un lado se asegura la obtención de la variedad de micro alga adecuada en función de la utilidad que se quiera obtener de ella. Se estima que existen más de 300 000 especies de algas, pero pocas de ellas poseen las características necesarias para hacer viable la producción de biocombustibles con fines comerciales. Por otro lado el cultivo asegura la producción del volumen de micro algas necesarias controlando aspectos como la extensión del cultivo y su rendimiento. Optimizando las necesidades vitales de las microalgas es posible obtener una reproducción mucho más rápida de lo que se obtendría en estado natural. Las microalgas son organismos que viven en el agua (agua dulce o agua salada) o en ambientes terrestres de elevada humedad. El papel de las algas en la naturaleza es de suma importancia ya que, gracias a la fotosíntesis, son capaces de transformar la materia inorgánica en materia orgánica utilizando para ello la energía del sol. Esta energía queda almacenada en sus estructuras biológicas y es aprovechada posteriormente por los seres que se alimentan de ella. Se puede decir por tanto que las microalgas están en la base de la cadena trófica. En el proceso de la fotosíntesis, empleando la energía del sol, se combina el CO2 atmosférico con el agua y como resultado se produce oxígeno que se libera a la atmósfera y azúcares que la microalga empleará para producir distintas sustancias como celulosa que conforma su estructura, aceites, etc.. 21.

(32) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. FIGURA 2.2. Esquema del almacenamiento de energía en un micro alga. FUENTE: Sitio Solar.com. Las microalgas tienen una tasa de multiplicación muy elevada por lo que son capaces de absorber y almacenar una gran cantidad de energía del sol. Entre las formas de producir micro algas encontramos: 2.2.2 ESTANQUES DE MICROALGAS Cultivo en estanques al aire libre: La forma más simple de cultivo. Se trata básicamente de piscinas descubiertas expuestas al sol. Al agua de estas piscinas se suministra nutrientes para que las microalgas puedan reproducirse a un ritmo acelerado. Es el sistema menos eficiente aunque el más económico. Sin embargo, a nivel industrial no resulta rentable. Cultivo de tanques en invernadero: Los tanques de agua en los cuales. se. reproducen. las. microalgas. están. protegidos. por. invernaderos. Las ventajas de este sistema son un mejor control de la temperatura y una pérdida muy reducida de agua. Estos factores favorecen una mayor reproducción de las algas y por lo tanto un mayor rendimiento. Existen empresas productoras que optan por este sistema por considerarlo en un buen equilibrio entre la eficiencia de producción y los costos.. 22.

(33) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. FIGURA 2.3. Invernadero con cultivo de micro algas. FUENTE: Sitio Solar.com. 2.2.3 LOS FOTOBIORREACTORES Cultivo en fotobioreactores: Los fotobioreactores son conductos transparentes aislados del exterior en los cuales se desarrollan las microalgas. Estos tubos se colocan al exterior para captar mayor cantidad de radiación solar. En los fotobiorreactores las microalgas no sólo reciben la radiación natural, sino que aprovechan también la radiación artificial. Esta es su gran ventaja frente a los estanques. Sin embargo, ello supone unas instalaciones y unos costes económicos y energéticos adicionales que son muy importantes. Los fotobiorreactores pueden ir situados también dentro de invernaderos de plástico o de cristal, para así disponer de una temperatura ambiente más elevada. FIGURA 2.4. Esquema de fotobioreactor. 23.

(34) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. FUENTE: Sitio Solar.com. Tipos de fotobiorreactores Tubos plásticos o de vidrio de forma triangular: Gases como C02 y O2 se hacen fluir desde la parte baja de la hipotenusa y algas con medio de cultivo se hacen fluir en el sentido opuesto. Fotobiorreactores tubulares en forma horizontal: Son tubos de acrílico en el que se hace circular en forma horizontal medio de cultivo más algas para que están no precipiten y todas reciban la misma cantidad de luz y nutrientes. Columna vertical de burbujas: Se genera circulación del medio con algas en una columna vertical a través del flujo de gases como dióxido de carbono. Se ilumina a través de tubos de luz a lo largo del tubo, cuyo objetivo es disminuir el costo del cultivo de algas a gran escala y hacerlo más simple. Equipos de fermentación: Algunas compañías obtuvieron aceite de algas sin crecimiento fotosintético, sino alimentando a las algas con azucares que. luego estas fermentaban. Una de estas. compañías ese llama Solazyme, una empresa de biotecnología que. 24.

(35) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. está desarrollando técnicas para producir combustible para autos y aviones a partir de algas. FIGURA 2.5. Fotobioreactor “airemar” de la empresa Biofuels systems. FUENTE: Sitio Solar.com. 2.2.4 VENTAJAS DEL CULTIVO DE MICROALGAS FRENTE A LOS CULTIVOS ENERGÉTICOS TRADICIONALES Para la producción de biocombustibles las microalgas presentan una serie de ventajas importantes con respecto a los otros productos agrícolas que se emplean en la actualidad: El nivel de productividad es mucho mayor que empleando cualquier otro tipo de materia prima. Las micro algas son organismos que en condiciones adecuadas se desarrollan a gran velocidad y completan su ciclo de vida en un tiempo mucho menor que los cultivos tradicionales. Se estima que la productividad de biocombustibles a partir de las microalgas es de entre 20 y 80 veces superior que a los producidos a partir del maíz, la soja o la caña de azúcar. Algunas empresas aseguran que con sus métodos,. 25.

(36) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. la producción de biomasa de algas (de la cual se pueden extraer diversos productos) es miles de veces superior que en el caso de los cultivos de soja, girasol o palma. Conviene, sin embargo, a falta de más información, estimar como más fiable el primer dato ofrecido. No se emite CO2 de más a la atmósfera- Las micro algas en su desarrollo requieren CO2 que toman de la atmósfera capturándolo en sus moléculas. En el momento de su combustión ese CO2 tomado se libera devolviéndolo al aire. Por lo tanto se libera tanto CO2 como el que el alga tomó en su desarrollo resultando el balance final igual a cero. Varios diseños de plantas de producción de micro algas proyectan emplear las emisiones de CO2 de las centrales. termoeléctricas. para. insuflarlas. en. los. cultivos. y. acrecentar la producción. La producción de biocombustible a partir de micro algas no afecta en absoluto al mercado de alimentos. Actualmente se están destinando grandes partidas de cereales para producir bioetanol y biodiesel lo que provoca que estos escaseen y que se eleve su precio en perjuicio de la industria alimenticia y sobretodo de las sociedades más pobres. Obtener combustibles a partir de las algas permitirá que los cereales se usen exclusivamente para fines alimentarios y que los precios se mantengan más bajos TABLA 2.4. Métodos de cultivo de micro algas. Sistemas de producción de micro algas para biodiesel o bioetanol Sistema Estanques. Al aire libre, abiertos En invernadero. De cristal De plástico. Con remoción de agua Sin remoción de agua Con remoción de agua Sin remoción de agua Con remoción de agua Sin remoción de agua. Biorreactores y Plásticos fotobiorreactores Vidrios FUENTE: “Técnicas de cultivo de micro algas para biocombustibles. 26.

(37) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Para el cultivo de micro algas no se destruyen bosques ni selvas- La inmensa demanda de biocombustibles elaborados a partir de cultivos tradicionales provoca la destrucción amplias zonas selváticas y forestales con el fin de ampliar la superficie cultivable.. Esto. repercute. muy. negativamente. en. nuestros. ecosistemas. TABLA 2.5. Tipos de estanques de Micro alga. Sistemas de producción de micro algas para biocombustibles en estanques Sistema Ventajas Inconvenientes Al aire libre, abiertos (open) Costes de Control de CO2 instalación menores Costes de Control de otras variables mantenimiento como nutrientes menores En invernadero De Cristal Mejor control de Costes de instalación y variables, se intentan mantenimiento más altos. asemejar a los Más duraderos. De plástico biorreactores Costes de instalación y mantenimiento más bajos. Menos duraderos. FUENTE: “Técnicas de cultivo de micro algas para biocombustibles. Es perfectamente posible realizar el cultivo de micro algas en estanques. localizados. en. áreas. desérticas. o. en. terrenos. improductivos para cualquier otro tipo de vegetal. Existen de hecho en ejecución centrales de producción de micro algas para biocombustibles. en. desiertos. aprovechando. las. excelentes. cualidades de insolación que ofrecen. 2.3.1 ELECCION DEL METODO MÁS ADECUADO Determinar cuál es el método de cultivo más adecuado como se mencionó líneas arriba depende del costo que se quiera invertir y de la producción que se quiera alcanzar, debido a esto la decisión se hará después de ver los procesos de producción que lo veremos en el punto siguiente.. 27.

(38) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ALGAS 2.3.2 PROCESO EN ESTANQUES ESTANQUES ABIERTOS. El cultivo de algas en estanques abiertos puede ser categorizado en: 1. Aguas naturales (lagos, lagunas, estanques) y 2. Estanques artificiales o contenedores. Estanques Abiertos de Aguas Naturales Entre las principales ventajas de los estanques abiertos están que son más fáciles de construir y operar, si se les compara con la mayoría de los sistemas cerrados. Las desventajas son la deficiente utilización de la luz por las células en cultivo; las pérdidas por: evaporación, difusión de CO2 a la atmósfera; y la exigencia de grandes extensiones de tierra. FIGURA 2.6. Estanque abierto del tipo pista de carrera. FUENTE: http://bioreactorcrc.wordpress.com/. Estanques Abiertos Artificiales Los estanques o contenedores en los que las microalgas se cultivan de manera artificial o asistida son por lo general, del tipo "pista de carrera". Se denominan así porque la biomasa (las microalgas, el agua y los nutrientes) fluye por el sistema como si circulara por una pista de carreras.. 28.

(39) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Ruedas de paletas motorizadas proporcionan el flujo para que las microalgas circulen y se mantengan suspendidas en el agua. Los estanques de cultivo son poco profundos ya que, deben permitir que las microalgas se mantengan expuestas a la luz solar y que ésta pueda penetrar el agua del estanque y alcanzar a todas las células en cultivo, a una profundidad limitada. Los estanques artificiales son operados de manera continua por lo que, el CO 2 y los nutrientes son constantemente alimentados a los estanques; mientras que, las microalgas que contienen agua son eliminas por el otro extremo; para mantener el principio de flujos iguales en el estado estacionario. ESTANQUES CERRADOS. Una alternativa a los estanques de cultivo abiertos son los estanques cerrados; eso es, cubrir el estanque o la piscina con efecto invernadero, para el control sobre el medio ambiente sea mucho mejor (que con los estanques abiertos). Los sistemas de estanque cerrado cuestan más que las lagunas abiertas, pero mucho menos que los fotobioreactores para las áreas similares de operación. Permiten cultivar más especies o que, la especie que se cultiva. permanezca. dominante;. extiende. la. temporada. de. crecimiento y si hay calefacción, se puede producir durante todo el año. En los sistemas cerrados es posible aumentar la cantidad y la concentración de dióxido de carbono lo que, aumenta la tasa de crecimiento de las micro algas. 2.3.3 PROCESO EN FOTOBIOREACTORES Un fotobioreactor es un sistema cerrado de cultivo biológico que incorpora algún tipo de fuente de luz y control de su ambiente interno. En ese sentido, un estanque cerrado, tal como, laguna cubierta con efecto invernadero, podría ser considerada como una forma poco sofisticada de foto biorreactor; por lo que, el control preciso del ambiente interno, establece la diferencia. Los principales factores que se controlan son los que determinan la. 29.

(40) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. tasa de crecimiento de las microalgas. Especie Cultivada: los diferentes tipos de micro algas (especies) tienen diferentes tasas de crecimiento. Luz: indispensable para el proceso de la fotosíntesis. Fotoperiodo: son los ciclos de luz y de oscuridad, indispensables para el metabolismo celular. Temperatura: hay un rango de temperatura y una temperatura optima que requiere el cultivo para crecer. Medio/Nutrientes: el medio de cultivo debe tener una composición específica que maximice el crecimiento de los microorganismos al menor costo. El Agua: existen especies de micro algas de agua dulce y de agua salobre; por lo que, la salinidad de agua es una consideración importante. pH: las micro algas tienen un rango de acidez cuyo pH varía entre 7 y 9; así como un pH óptimo para tener una tasa de crecimiento óptima, según sea la especie cultivada. Aireación: las micro algas tienen necesidad de estar en contacto con el aire para eliminar sus emisiones de CO2. No obstante un exceso. de. aireación. puede. ocasionar. una. disminución. del. crecimiento por inhibición por O2. Inyección de CO2: las micro algas metabolizan el CO2 disuelto en el agua para producir azucares vía fotosíntesis. Mezclado: el mezclado impide la sedimentación de las micro algas y asegura que de todas las células en el cultivo estén igualmente expuestas a la luz. El conjunto generalizado de las condiciones para el cultivo de micro algas es el siguiente TABLA 2.6. Condiciones para el cultivo de micro algas. 30.

(41) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Parámetro. Rango. Optimo. Temperatura (°C). 16-27. 18-24. La salinidad (g/l). 12-40. 20-24. Intensidad de la luz 1,000-10,000 (Depende (lux). del volumen y densidad). Fotoperiodo. (luz:. 16:08 (mínimo). oscuridad, horas) pH. 2,500-5,000. 24:0 (máximo) 7-9. 8.2-8.7. FUENTE:http://www.fao.org/docrep/003/w3732e/w3732e06.htm. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS FOTOBIOREACTORES PARA EL CULTIVO DE MICROALGAS Para alcanzar una alta productividad de biomasa,  El volumen de las partes no iluminadas del fotobioreactor debe ser minimizado.  Para lograr una alta eficiencia en el uso de la luz para el cultivo de las micro algas,  El fotobioreactor debe contar con una iluminación uniforme para toda la superficie de cultivo.  Para alcanzar tasas de transferencia de masa de CO2 y O2 rápidas,  El fotobioreactor debe tener un sistema de mezclado eficiente.  Deben alcanzarse tasas altas de transferencia de masa pero sin,dañar el cultivo de celular, ni reprimir su crecimiento.  Para evitar el decaimiento de la luz que se transmite a la. 31.