aplicaciones biotecnológicas de microalgas: caso de estudio. · extracción de xantinas....
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Aplicaciones biotecnológicas de
microalgas: caso de estudio.
Proyecto de Producción de
Microalgas para obtención
de Biocombustibles
Mic. Carolina Belén García.
Dra. Stela Maris da Silva
Dr. Jorge Barón
• Biocombustibles que no requieren suelos
agrícolas, no compiten con alimentos.
• Mayor rendimiento productivo y eficiencia
fotosintética.
FUENTE DE ENERGÍA
RENOVABLE:
• Créditos de carbono. MITIGACIÓN
DE CO2:
• Especies aptas para crecer en ambientes hostiles. TRATAMIENTO
DE EFLUENTES:
• Obtención de subproductos de alto valor agregado BIOREFINERÍA
Proyecto Microalgas para Biocombustibles | IMD - ECT | UNCUYO
www.algae-oil.com.ar | MENDOZA. ARGENTINA.
GENERALIDADES: VENTAJAS DE LOS CULTIVOS DE MICROALGAS
Wilkie et al., 2011. Indigenous algae for local bioresource production: Phycoprospecting. Energy and Sustanaible
Development. 15 (2011) 365-371. Elsevier.
Microalgae
GRUPO DE INVESTIGACIÓN
Dr. Jorge H. Barón Director
Dra. Stela Maris da Silva Co-directora
Mic. Carolina B. García
Ing. M. Florencia Codina
Téc. Anahí Fonollá
Biol.Molec. Abi Anello
Sr. Guillermo Gandía
Integrantes
Estudiantes de Ingeniería Química,
Técnicatura en mantenimiento
industrial, Biología y/o carreras afines.
Colaboradores
Emprendimiento conjunto
público-privado
RESUMEN DEL PROYECTO a-Oil
El proyecto se enfoca en el desarrollo tecnológico de
sistemas de cultivos de microalgas a escala piloto
asociados a industrias de diversa índole, con fines
energéticos y ambientales que contribuyan al desarrollo
sustentable y aprovechamiento de recursos regionales. Se
contemplan actividades de investigación aplicada, estudios
paramétricos, definición del potencial comercial, en el
marco de investigación, desarrollo y formación de recursos
humanos en emprendimientos conjuntos entre
instituciones públicas-privadas.
Proyecto Microalgas para Biocombustibles | IMD - ECT | UNCUYO
www.algae-oil.com.ar | MENDOZA. ARGENTINA.
Nuestro producto: know how
Desarrollo de tecnologías de explotación rentable y a
escala industrial de cultivos de microalgas para:
Producción de energías alternativas: biodiesel,
biocombustibles sólidos.
Mitigación de gases de efecto invernadero (CO2)
Productos de alto valor agregado; Tratamiento de
efluentes residuales
Lo que se desea vender a las empresas es un
DESARROLLO TECNOLÓGICO
que les permita mejorar sus procesos, mitigar sus impactos ambientales, reducir sus costos y maximizar
sus ganancias.
EL DESARROLLO TECNOLÓGICO
Biomasa producida. Lípidos totales. Poder Calorífico Superior (PCS). Generación de
Biogás. Captura efectiva y mitigación de CO2. Extracción de xantinas. Producción de
pigmentos. Estudios de calidad nutricional de microalgas secas como
suplementos/aditivos. Cultivo en efluentes urbanos pretratados.
Desarrollo de sistemas de cultivo, harvesting, secado y almacenamiento factibles
de ser replicados en sistemas modulares.
Determinación de factores críticos en cada etapa, para realizar estimaciones de
factibilidad económica y rentabilidad de cada uno los procesos a una escala
industrial.
TODOS ESTOS PUNTOS SIN DEJAR DE LADO LA UTILIZACIÓN DE
RECURSOS INDUSTRIALES COMO INSUMOS PRODUCTIVOS EN SISTEMAS
SUSTENTABLES
MUESTREOS
MICROALGAS
Medios de cultivo: tipos, proporciones. Fuentes de N y P.
Fuentes de C: orgánica e inorgánica (CO2 – frecuencia de inyección, duración y
cantidad).
Adición de O2 (frecuencia de inyección, duración y cantidad).
Tipo de agua de cultivo. Láminas de agua-profundidad.
Iluminación y Fotoperiodos: duración, intensidad, tipos.
Agitación, pH, conductividad.
Duración de los ciclos.
Inóculos. tipos, proporciones.
Factores de escalado.
Se realizaron múltiples ensayos en diversas configuraciones experimentales, a fin
de detectar la influencia de las variables, de forma individual y combinada, y poder
determinar relevancia y efectos en términos de parámetros medidos para poder
proponer y realizar la optimización de procesos, tanto in-door como out-door.
Variables estudiadas en diversas configuraciones
experimentales
Se propusieron, estudiaron y optimizaron diversos métodos de cosecha y
concentración (harvesting), entre ellos centrifugación, diferentes tipos de filtrado y
filtros, entre ellos filtrado tangencial, floculación, electrofloculación, teniendo en
cuenta
Factores de filtrado.
Factores de reducción.
Factibilidad del método a ser aplicado en grandes volúmenes,
Tiempos, consumo y gastos energéticos.
Calidad y cantidad de biomasa obtenida.
Métodos evaluados para cosecha y
concentración
Temperatura de secado: afecta la composición y el rendimiento de los lípidos
El secado a 60°C conserva una alta concentración de TAG en los lípidos y
sólo disminuye ligeramente el rendimiento.
Temperaturas superiores a 60°C: disminuyen la concentración de TAG y el
rendimiento de los lípidos [Widjaja et al., 2009].
Nuestra temperatura de trabajo: 50°C.
Cultivos in-door: estufa.
Cultivos out-door-escala piloto: Secadores tipo spray en chorro de aire caliente
.
Secado
UTILIZACIÓN Y DESTINO DE LA BIOMASA
Productividad y rendimiento en cada configuración experimental, en términos de:
Biomasa.
Lípidos.
Perfil de ácidos grasos (FAMEs).
PCS.
Producción de biopigmentos.
Tasas de crecimiento y tiempos de duplicación.
Resistencia, viabilidad y predominancia de microalgas.
Relación entre estos parámetros de acuerdo a cada objetivo particular de diseños
experimentales específicos, tanto in-door como out-door.
Parámetros evaluados en las diversas
configuraciones experimentales
Avance de resultados
Se ha logrado la predominancia de dos cepas de microalgas Chlorella sp. SC01 y
Scenedesmus sp. SC02 en todos los cultivos y condiciones ensayadas, aún en
condiciones NO axénicas.
Se observaron productividades de biomasa en el orden de 1,84 g.L-1, alcanzando un
máximo de 3,928 g.L-1 en términos de biomasa seca final respecto a la inicial (0,196 g.L-
1), aunque estos valores dependen de condiciones experimentales particulares. Promedio
de los RP de marzo a julio: 15g/m2.día. Promedio de los RP (mundial): 20-25g/m2.día. Los
valores de biomasa fueron mayores en láminas de agua de 30cm y 15cm respecto de
cultivos crecidos en láminas de 10cm.
Mediante la adición de CO2 se logran productividades 3 veces mayores de biomasa.
Chlorella sp. “secuestra” 59% del CO2 en concentración 1% (Ramanan et. al, 2010).
Actualmente estamos trabajando en disolución de CO2 inferior a 1%.
Se ha logrado obtener rendimientos significativos de biomasa y lípidos en 3, 5 y 7 días
de cultivo mediante optimización de medios de cultivo, tanto in-door como out-door, en
condiciones NO axénicas.
Avance de resultados
Mediante diversos esquemas experimentales se ha observado un efecto
marcado en el crecimiento de microalgas y productividades, principalmente en los
estudios de optimización de medios de cultivo.
La cosecha y concentración (harvesting) mediante filtrado tangencial resultó
apropiada, obteniéndose factores de filtrado de hasta 20:1 (L) en 30´, a partir de
prototipos experimentales diseñados para tal fin. El método de electrofloculación
resultó eficaz y eficiente, la mejora y diseño de prototipos se encuentra en
ejecución.
Lípidos: valores de 8% hasta 20% a partir de cultivos en consorcio y
condiciones no axénicas (considerando la total ausencia de esterilización y la no
selección de especímenes). Extracción de aceites: el tratamiento combinado
(macerado con criotratamiento previo y posterior extracción con n-hexano) fue
más eficiente (en un 27%) que la técnica convencional (sin criotratamiento
previo).
Avance de resultados
Se analizaron los perfiles de lípidos y se compararon con muestras de
biodiesel (utilizados actualmente para cortar el diesel común). Los resultados
mostraron similitudes entre ambos patrones. Por lo tanto, los FAMEs obtenidos
de lípidos de microalgas ensayadas coinciden con los estándares preestablecidos
por la Ley de Biocombustibles, por lo cual podrían utilizarse como materia prima
para biodiesel.
Valores de PCS de hasta 3650 cal.g-1.
Se obtuvieron niveles aceptables de xantinas, entre un 15-20% (no
caracterizadas), lo cual es un punto importante, ya que la extracción y
purificación de las mismas agrega valor al sistema sin modificar el PCS y su
utilización como combustible.
La biomasa tanto fresca como residual (pos-extracción de lípidos) fue utilizada
para el estudio de generación de biogás, con o sin adición de glicerina como
sustrato fermentable, obteniéndose buenos rendimientos en términos de cantidad
y calidad.
Por otro lado, se estudió el crecimiento de microalgas en efluentes urbanos
pretratados. Se concluyó que el agua proveniente de las últimas etapas del
tratamiento de efluentes (efluentes urbanos pre-tratados), rica en N y P, es
factible de ser utilizada para el cultivo de microalgas, obteniéndose
productividades significativas de biomasa y lípidos en términos de cantidad y
calidad.
Los datos obtenidos son comparables con otros de la literatura, obtenidos a
partir de cultivos monoespecíficos y de consorcios, pero bajo condiciones
axénicas y controladas (esterilización).
Avance de resultados
NUESTROS LABORATORIOS
Emprendimiento público-privado
Grupo a-Oil, UNCUYO, FUNC, E-Traders, GECOR S.A.
Planta Piloto en RíoIII, Córdoba
El objetivo del PILOTO es ensayar y
caracterizar los procesos de cultivo, cosecha y
secado de
biomasa de microalgas a escala industrial,
incluyendo los procesos de disolución de
dióxido de carbono en agua.
El PILOTO no tiene un objetivo productivo
Escalado del cultivo
Estanques primarios
Estanques secundarios
Estanques productivos
1:10 1:10
Módulo alimentación
Lay Out planta piloto 0.5Ha
Diagrama de flujo
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¡Muchas gracias por su
atención!
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Dra. Stela Maris da Silva
Dr. Jorge Barón