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