193 323-1-pb

453 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
453
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4
Actions
Shares
0
Downloads
11
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

193 323-1-pb

  1. 1. 108 PERSPECTIVAS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE TERCERA GENERACIÓN Eduardo Luis Sánchez Tuirán Docente de Tiempo completo. Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966, Cartagena, Colombia. E-mail: esanchez@usbctg.edu.co Recibido 25 de Enero de 2012 Aceptado 21 de Febrero de 2012 RESUMEN La investigación sobre nuevas fuentes de energía no convencionales en Colombia se ha desarrollado mediante el establecimiento de políticas gubernamentales para el fortalecimiento de la industrial de bioetanol y del biodiesel. Tradicionalmente, el biodiesel es obtenido a través de la transesterificación de diferentes aceites vegetales con un alcohol. Para lograr implementar el proceso de producción este biocombustible a escala industrial y que sea competitiva con el diesel de petróleo, es necesario encontrar materias primas que posean mayores rendimientos de producción de aceite que los cultivos de oleaginosas usados actualmente. Recientemente se viene estudiando en diferentes países el cultivo de microalgas como una opción de gran potencial para producción de combustibles líquidos para el transporte, ya que mediante su uso se reducen las emisiones de gases de efecto invernadero y tiene mayores índices de productividad por hectárea. En este artículo se presenta una descripción del proceso productivo del biodiesel a partir de microalgas y sus posibilidades de desarrollo en Colombia. Palabras clave: Biodiesel, microalga, transesterificación, metanol, etanol. PERSPECTIVES OF THIRD GENERATION BIODIESEL PRODUCTION PROCESS ABSTRACT Abstract: In Colombia, research about new bioenergy resources is developing due to government policies which support bioethanol and biodiesel industry. Traditionally, biodiesel is obtained through transestherification process from vegetal oils and ethanol or methanol. In order to have a more profitable product compare to diesel, and the industrial scale implementation for this biofuels, is necessary to find raw materials with higher oil yields compare to oleaginous which are currently used. Recently, in several countries microalgaes are been studied as potential raw material for liquid biofuels due to their use decrease greenhouse emissions and have higher productivity per hectare. This paper describes biodiesel production process from microalgae and its development in Colombia.
  2. 2. 109 Keywords: Biodiesel, microalgae, transestherification, metanol, ethanol 1. INTRODUCCIÓN Durante décadas, los combustibles fósiles han constituido la principal fuente de energía a nivel mundial. Sin embargo, en años recientes combinación de aspectos tecnológicos, políticos, ambientales y de salud, han incentivado la aplicación de nuevas fuentes de energía, orientando la investigación hacia el aprovechamiento de recursos biomásicos disponibles que permitan diversificar las fuentes de biocombustibles para ser aprovechadas en forma sostenible y así alcanzar el uso racional y eficiente de energía. En Colombia, la producción de biocombustibles se ha desarrollado debido a una serie de incentivos legales mediante la implementación de leyes que establecen el uso de bioetanol y biodiesel en mezclas con los combustibles fósiles como una estrategia para frenar la dependencia hacia el petróleo y aprovechar los beneficios ambientales que el uso de estos combustibles ofrece. Sin embargo, debido a la gran variedad de fuentes de obtención de biocombustibles, es necesaria la adecuada selección de materias primas para aprovechar mejor la capacidad productiva de Colombia en diversos cultivos como el aceite de palma africana, el aceite de higuerilla, caña de azúcar, caña panelera en la producción de biodiesel-bioetanol y más recientemente las microalgas, con base en la disponibilidad de materias primas, incentivando la generación de empleos y que evite una competencia de recursos entre el sector energético y el alimenticio. En el contexto internacional la investigación en la producción de biocombustibles se orienta fundamentalmente hacia el aprovechamiento óptimo de los recursos biomásicos disponibles y al conocimiento y la adecuada utilización de estas fuentes alternas de energía. La meta es diversificar las fuentes de biocombustibles aprovechables de forma sostenible y alcanzar el uso racional y eficiente de la biomasa con eficiencia energética a lo largo de la cadena productiva, haciendo énfasis en la generación de empleos y en la minimización de los efectos ambientales y sobre políticas alimentarias. Alternativas como el biodiesel proporcionan una fuente renovable de energía que revitaliza las economías rurales y genera empleo al favorecer la implementación de un nuevo sector en el ámbito agrícola. Con esto, se puede esperar un impacto positivo sobre el medio ambiente, y en consecuencia en la salud de las personas que habitan las ciudades. 2. GENERALIDADES DEL BIODIESEL El biodiesel es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, ya sean frescos o usados, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del diesel o gasóleo obtenido del petróleo. El biodiesel se produce a partir de la conversión de los triglicéridos presentes en los aceites vegetales como los obtenidos a partir de palma de aceite, soya, higuerilla, colza, girasol y
  3. 3. 110 ricino en ésteres de metilo o etilo a través de un proceso llamado transesterificación (Stell, 2004). En este proceso, las tres cadenas de ácidos grasos de cada molécula de triglicérido reaccionan con el alcohol en presencia de un catalizador para obtener los ésteres etílicos o metílicos que forman el biodiesel y glicerina. La glicerina formada durante el proceso puede ser purificada y utilizada en las industrias farmacéutica, cosmética y de alimentos. Las propiedades físicas y químicas del biodiesel dependerán directamente del aceite o grasa del cual provengan y del alcohol que se emplee para su elaboración. En la actualidad existen diversos procesos industriales mediante los cuales se pueden obtener biodiesel. Los más importantes son los siguientes: a) Proceso base-base, mediante el cual se utiliza como catalizador un hidróxido. Este hidróxido puede ser hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. b) Proceso ácido-base. Este proceso consiste en hacer primero una esterificación ácida y luego seguir el proceso normal (base-base), se usa generalmente para aceites con alto índice de acidez. c) Procesos supercríticos. En este proceso ya no es necesario la presencia de catalizador, simplemente se hacen a presiones elevadas en las que el aceite y el alcohol reaccionan sin necesidad de que un agente externo como el hidróxido actúe en la reacción. d) Procesos enzimáticos. En la actualidad se están investigando algunas enzimas que puedan servir como aceleradores de la reacción aceite-alcohol. Este proceso no se usa en la actualidad debido al alto costo de las enzimas, lo cual impide que se produzca biodiesel en grandes cantidades. e) Método de reacción ultrasónica. En el método reacción ultrasónica, las ondas ultrasónicas causan que la mezcla produzca y colapse burbujas constantemente. Esta cavitación proporciona simultáneamente la mezcla y la energía necesarias para llevar a cabo el proceso de transesterificación. Así, utilizando un reactor ultrasónico para la producción del biodiesel, se reduce drásticamente el tiempo, temperatura y energía necesaria para la reacción. De ahí que el proceso de transesterificación puede correr en línea en lugar de utilizar el lento método de procesamiento por lotes. Los dispositivos ultrasónicos de escala industrial permiten el procesamiento de varios miles de barriles por día. 3. MECANISMO DE LA REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN El mecanismo de reacción bajo el cual se producen los ésteres (Freedman et al., 1984; Mittelbach - Trathnigg, 1990; Noureddini- Zhu, 1997) consta de tres reacciones consecutivas reversibles, partiendo de triglicéridos (TG) y alcohol (A), formando como productos intermedios diglicéridos (DG) y monoglicéridos (MG), y como producto final ésteres (E) y glicerina (GL)
  4. 4. 111 Este mecanismo, cuando se utiliza etanol como materia prima, es: 32352 32252 32152 5 6 3 4 1 2 HCOOCRGLOHHCMG HCOOCRMGOHHCDG HCOOCRDGOHHCTG K K K K K K    y la reacción general del proceso de transesterificación es: GLHROOCOHHCTG K K  3252 33 7 8 Las moléculas lineales del éster resultante reciben el nombre de biodiesel y están formadas por el éster del ácido graso y el alcohol. Estas moléculas tienen menor viscosidad, menor masa molecular, menor intervalo de ebullición y menor punto de inflamación que el triglicérido original. Se puede realizar la reacción de transesterificación con o sin catalizadores. Los catalizadores que suelen usarse para el proceso de transesterificación son el hidróxido de sodio (NaOH) y el hidróxido de potasio (KOH). También son usadas las enzimas pero su elevado costo las hace inviables. La reacción sin catalizador puede ser llevada a cabo pero a velocidades considerablemente menores que aquellas obtenidas en la reacción catalizada. Por último, se pude llevar a cabo la reacción en condiciones super- críticas con temperaturas y presiones elevadas obteniéndose un producto más fácil de purificar por la ausencia de residuos de catalizador. El primer paso del proceso de la transesterificación catalizada consiste en mezclar un alcohol de bajo peso molecular, normalmente metanol o etanol, con el catalizador, que es comúnmente hidróxido de sodio formando metóxido de sodio (Na+CH3O- ) en una reacción exotérmica. Este químico se mezcla con el aceite, se hidrolizan los enlaces de los triglicéridos para luego ocasionar la partición del ácido graso en glicerina y cadenas de éster, para luego reaccionar con el alcohol y dar origen al biodiesel (Ávila et al., 2008). 4. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS En Estados Unidos el biodiesel es obtenido a partir de aceite de soya principalmente. Aunque también se obtiene a partir de aceites vegetales como los de canola, palma, maíz, (Felizardo et al., 2006; Kulkarni - Dalai, 2006), jatropha (Barnwal - Sharma, 2005), también grasa animal y aceites usados. De la misma manera que el etanol de celulosa presenta mejores indicadores de balance energético, de uso del suelo y de emisiones gaseosas que el etanol "tradicional", las algas presentan mejores indicadores en cada una esas variables para la producción de biodiesel que los que presentan las tecnologías tradicionales a partir de cultivos como el girasol, la soja, la colza y la palma africana (Chisti, 2007). Se trata de pequeñas plantas unicelulares o
  5. 5. 112 pluricelulares con capacidad de duplicarse en un período entre 1 y 5 días y cuya cosecha, a diferencia de los tradicionales cultivos energéticos, no se hace una vez al año sino todos los días (Walter et al., 2005). Las microalgas ya son una nueva opción para la obtención de biocombustible en el futuro inmediato. Si bien aún falta desarrollar mucha investigación, principalmente en lo relacionado a mejoramiento genético (Donghui et al., 2008), ya hay algunos proyectos productivos en ejecución (Shi et al., 2004) y datos que muestran las ventajas de esta tecnología: costos relativamente bajos de cosecha y transporte, menor gasto de agua, mayor eficiencia fotosintética que los otros organismos vegetales, utilización de agua de residuos orgánicos, posibilidad de cultivos en agua salada, las mejores fijadoras de CO2, lo que puede contribuir a reducir el efecto invernadero (Kadam, 2002). Además, también puede utilizarse en forma seca como si fuera polvo de carbón, con un poder calorífico similar a éste. Los aceites vegetales producidos por las microalgas pueden transformarse en biodiesel. Al contrario que la soja u otros cultivos usados para la producción de biocombustibles, las algas no necesitan extensos terrenos de cultivo ya que pueden crecer en casi cualquier espacio cerrado de forma muy rápida, y de este modo podrían desarrollarse en tanques en cualquier localización (Acién et al., 1999). Se trata de una fuente de producción de energía en continuo, inagotable y no contaminante porque no moviliza carbono fósil, sino que utiliza el exceso de carbono (CO2) atmosférico. Contribuye de esta forma a atenuar el efecto invernadero y a restablecer el equilibrio térmico del planeta. Ciertamente, no existen otros captadores de radiación solar más eficaces que estos organismos fotosintéticos. Su cultivo automatizado en grandes fotobiorreactores resulta sencillo (Molina, et al., 2001). Las algas son capaces de crecer en un amplio rango de condiciones por la que se las encuentra en cualquier zona del planeta (Donghui, et al., 2008): sobre plantas acuáticas, como simbiontes de los corales y los líquenes, sobre sustrato artificial como madera o botellas, en lagunas, ciénagas, pantanos, nieve, lagos de agua dulce o salina, sobre rocas, etc., por lo que no es difícil encontrar zonas para cultivarlas. Las principales restricciones para su cultivo en escala industrial se dan, más que todo, en función del fotoperíodo (duración de los ciclos día/noche necesarios para efectuar el proceso completo de fotosíntesis) y de la intensidad y calidad de la luz solar (Perner- Nochta- Posten, 2007; Chisti, 2007). Por ese motivo, los países localizados en la región ecuatorial presentan ventajas inherentes. Para mantener procesos continuos y lograr estabilidad de producción a lo largo del año, los países que presentan estaciones deben incrementar su gasto energético en el proceso de cultivo, durante el invierno, reduciendo su rentabilidad. Aun así, las perspectivas de su cultivo en gran escala son bastante halagüeñas. En el desierto de Arizona ya existe un emprendimiento productivo a cargo de una joint venture entre la empresa británica Green Fuel (www.greenfuelonline.com) y empresas locales. Si bien el National Renewable Energy Laboratory - NREL (dependencia del Departamento de Energía estadounidense) ya había estado investigando desde la década de
  6. 6. 113 los setenta (Sheehan et al, 2998), éstas fueron clausuradas en 1990 y ahora han vuelto a retomarse, existiendo en este momento docenas de compañías que quieren seguir los caminos de Green Fuel, como es el caso de la Chevron, en alianza con la maderera Weyerhaeuser Co., a través de la empresa Catchlight Energy, o la alianza entre la holandesa Shell y HB Petroleum, que se instalarán en Hawaii, en el Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority (NELHA), al lado de una de las mayores empresas de cultivo de algas del mundo, Cyanotech (www.cyanotech.com), dedicada a la producción masiva de Spirulina pacifica con fines nutricionales y farmacéuticos. Todos estos proyectos utilizan tecnología de cultivo en grandes piletas ("raceways") al aire libre. A estos tipos de cultivos se los denomina "sistemas abiertos". El riesgo de este tipo de sistemas de cultivos es la alta probabilidad de ser contaminados por otros tipos de algas, ya que las algas que tienen el mayor componente en aceite no necesariamente son las que más rápido crecen, por lo que algunas cepas de algas contaminantes podrían invadir masivamente el cultivo (Chisti, 2007). Por otro lado, en estos sistemas se tiene poco control frente a condiciones ambientales tales como temperatura del agua, CO2, intensidad lumínica, por lo que el crecimiento del cultivo depende de las condiciones del medio y en general se produce en los meses más cálidos (Molina, et al., 2000). En general, para el cultivo en sistemas abiertos se buscan cepas que puedan crecer bajo condiciones en las que otros organismos les resultaría difícil desarrollarse como valores de pH muy altos o muy bajos, rangos estrechos de temperatura, requerimientos nutritivos específicos, etc. Por esta razón es que sólo muy pocas especies vienen siendo cultivadas con éxito en este tipo de sistemas. La ventaja que tienen los sistemas abiertos es que son muy baratos y fáciles de construir, ya que básicamente lo que se hace es construir estanques o piletas en el suelo, con geomembranas, cuya profundidad de columna de agua se da en promedio en 30 cm (Chisti, 2007). En Europa, principalmente en España, Alemania y Holanda, así como en Nueva Zelanda y Japón, se viene trabajando con la tecnología de los fotobiorreactores, sistemas cerrados en los que, a diferencia de los sistemas tradicionales de piletas, el control sobre el proceso es mayor, lo cual facilita su automatización, se ocupa menos área, se trabaja con densidades de cultivo muy altas, presenta una mayor versatilidad en cuanto a la posibilidad de manipular variables físicas y químicas a favor de la obtención de rendimientos más altos, aunque sus costos iniciales sean más elevados que las piletas (Molina et al., 2000; Acién et al., 2001; Sánchez et al., 1999). 4.1 Tipos de algas para cultivo Las algas están compuestas básicamente por proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y ácidos grasos. Los ácidos grasos e hidrocarburos se encuentran en las membranas, en las vacuolas, en los productos de almacenamiento, metabolitos, etc. El porcentaje de ácidos grasos varía según la especie, aunque hay especies cuyos ácidos grasos representan 40% de su peso seco (Chisti, 2007). Estos ácidos grasos son el foco de nuestro interés por cuanto
  7. 7. 114 luego son convertidos en biodiesel. Para la producción de estos se buscan algas que contengan un alto contenido en lípido y que sean fácilmente cultivables. Las algas han sido usadas con diferentes fines en los cuales se destacan el uso en alimentación de pescados, producción de vitaminas, entre otros productos. Sin embargo, en los últimos años, la demanda energética ha crecido dramáticamente proponiendo nuevos retos a la comunidad científica internacional sobre la investigación y desarrollo de nuevas y eficientes fuentes de energía que brinden buenos rendimientos con favorecimiento en aspectos ambientales. Basado en esto, la producción de biocombustibles a partir de microalgas ha surgido como una opción prometedora debido a las características deseables de esta materia prima: Eficiencia: las algas pueden transformar la luz solar en biomasa Producción de lípidos: algunas especies puede contener hasta un 80% de su peso en biomasa seca (Metting, 1996; Spolaore et al., 2006). Los niveles de producción más comunes son de aceite son 20%–50% (Chisti, 2007) Rápido crecimiento: las algas tienen velocidades de crecimiento exponencial y pueden duplicar su biomasa en periodos cortos (3.5 h) (Chisti, 2007) Dióxido de carbono: la producción de biomasa de microalgas puede permitir la biofijación de CO2 (1 kg de biomasa de algas seca utiliza aproximadamente 1.83 kg de CO2) (Chisti, 2007) Evita el debate de combustibles vs. seguridad alimentaria: las algas no son usadas como fuente primaria para la alimentación humana. Además, para el cultivo de algas puede incluso puede usarse zonas áridas no aptas para otros cultivos tradicionales. La investigación de microalgas acuáticas en Colombia comenzó en la década de los noventa trabajando algunos grupos como Euglenophyceae, Chlorophyceae (Orden Chlorococcales), Zygophyceae (familias Desmidiaceae y Mesotaeniaceae), Bacillariophyceae y Chrysophyceae, restando el estudio de otras clases como Cyanophyceae, Tribophyceae, Dinophyceae y Cryptophyceae. Los estudios de microalgas se han adelantado en lagos y ríos ubicados en la frontera colombo - brasilera conocida como el eje Apaporis - Tabatinga (PAT), en ecosistemas de los ríos Amazonas y Putumayo, donde existe información ecológica. (Duque- Núñez, 2000). El objetivo de estas investigaciones estuvo orientado a determinar las clases taxonómicas de las especies identificadas, así como las condiciones más favorables para su cultivo. La producción masiva de microalgas se ha convertido en una pieza clave para el desarrollo de la acuacultura, ya que se ha determinado que en estado fresco son el alimento de más alta calidad para fases larvales y para organismos filtradores. Las empresas productivas y de investigación acuícola en Colombia utilizan microalgas para alimentar a los animales de los que se ocupan. Actualmente, las investigaciones sobre el aislamiento de cepas nativas y la obtención de productos de interés como proteínas a partir de dichas especies de microalgas
  8. 8. 115 ha sido impulsada en los últimos años, así como el diseño de birreactores para su cultivo masivo (Pedroche, 2003). Las algas que ya han sido extensivamente estudiadas en el mundo para la producción de aceites en general pertenecen a dos grandes familias: Chlorophyceae (algas verdes) y Bacilliarophyceae (diatomeas o algas con caparazón de sílica). Aunque también se encuentran especies de la familia Euglenophyceae (Euglena gracilis*) y Haptophyceae (Pleurochrysis carterae), de cianobacterias (algas verde-azules = organismos procariontes, como las bacterias pero con altos contenidos de pigmentos fotosintéticos como Spirulina sp*, Spirogyra sp* y Anabaena sp*. Al seleccionar y aislar las algas en cepas puras, puede que se pierdan atributos como resistencia a enfermedades, ventajas competitivas, etc., pues en la naturaleza ocurren entre las algas fenómenos de alelopatías similares a las de los vegetales superiores. Por esta razón se hace necesaria la utilización de fotobiorreactores para el cultivo de estas cepas de algas. 4.2 Sistemas de cultivo de biomasa de microalgas Las microalgas son fábricas celulares accionadas por luz solar que transforman el CO2 en biocombustibles potenciales (metano por digestión anaeróbica, biodiesel a partir de aceite de microalgas, biohidrógeno producido fotobiológicamente), alimentos, suministros y sustancias bioactivas de alto valor agregado (Metting - Pyne, 1986; Schwartz, 1990; Kay, 1991; Shimizu, 2003; Borowitzka, 1999; Ghirardi et al., 2000; Akkerman et al., 2002; Banerjee et al., 2002; Melis, 2002; Lorenz - Cysewski, 2003; Metzger - Largeau, 2005; Singh et al., 2005; Spolaore et al., 2006; Walter et al., 2005). La idea de obtener combustibles a partir de algas no es nueva (Chisti, 1980; Nagle - Lemke, 1990; Sawayama et al., 1995) aunque sí lo es el interés que recientemente ha despertado debido a los elevados precios del petróleo y el calentamiento global asociado a la quema de combustibles fósiles. Al contrario que otros cultivos, las microalgas crecen rápidamente y muchas especies son ricas en contenido lipídico (mayores al 80% en masa de biomasa seca) (Metting, 1996; Spolaore et al., 2006). Aunque lo más común es encontrar especies con contenidos lipídicos cercanos a 20-50%. Dependiendo de la especie, las microalgas pueden producir diferentes tipos de lípidos, hidrocarburos y otros aceites complejos (Banerjee et al., 2002; Metzger - Largeau, 2005; Guschina - Harwood, 2006). Entre los factores que afectan la acumulación de lípidos en las microalgas se destaca el hierro en la obtención de Chlorella vulgaris (Liu et al., 2008) y el empobrecimiento de algunos nutrientes como el nitrógeno (Scragg et al., 2002). Existen diversas técnicas usadas para facilitar e incrementar la extracción de lípidos presentes en las microalgas, entre ellos el ultrasonido y microondas (Cravotto et al., 2008). La obtención de microalgas es generalmente más costosa que los cultivos tradicionales. El crecimiento basado en fotosíntesis requiere luz, CO2, agua y sales inorgánicas. La
  9. 9. 116 temperatura debe permanecer entre los 20-30 ºC. Para minimizar gastos la obtención de biodiesel debe ser a partir de energía solar gratuita (Chisti, 2007). Diversos autores presentan metodologías de diseño de fotobiorreactores que integran los principios de la mecánica de fluidos, transporte de masa gas-líquido, control de la radiación incidente entre otros factores con el fin de obtener biodiesel de alta calidad mediante la transesterificación de los aceites obtenidos en presencia de metanol (Acién et al., 2001; Miao -Wu, 2006; Molina et al., 2001; Xu et al., 2006). Los investigadores concuerdan que los factores más relevantes en el crecimiento celular de las microalgas son la temperatura, la radiación incidente, la concentración de oxígeno disuelto en el medio, la hidrodinámica del sistema, frecuencia de ciclo luz-oscuridad en el medio, la escala del fotobiorreactor, concentración de dióxido de carbono, la velocidad de transporte de masa entre las fases gas-líquido, entre otras (Acién et al., 2001, 2003; Fadavi - Chisti, 2008; Molina et al., 1999; Ugwu et al., 2008). Existen varias clases de dispositivos para fomentar el flujo y contacto entre las fases al interior de los fotobiorreactores, entre ellos se destacan los de tipo airlift en el cual a través de mecanismos de inyección de aire se impulsa el medio a circulante través de los tubos translúcidos en los que incide la radiación solar y/o artificial y se lleva a cabo el crecimiento de las microalgas (García et al., 2005; Wu- Merchuk, 2004). De acuerdo al tipo de iluminación, los bioreactores se encuentran clasificados como iluminados naturalmente, iluminados artificialmente y combinación de ambos. Aquellos cultivos con grandes áreas de iluminación natural incluyen los de cielo abierto (Hase et al., 2000), los de plato plano (Hu et al., 1996), los tipo airlift horizontales/helicoidales (Camacho et al., 1999) y fotobiorreactores tubulares inclinados (Ugwu et al., 2002). Usualmente, los fotobiorreactores de laboratorio son iluminados artificialmente de manera externa o interna usando lámparas fluorescentes. Algunos de los fotobiorreactores de laboratorios son los de columna de burbujeo (Degen et al., 2001; Ogbonna et al., 2001; Chini et al., 2003), de tipo columna con airlift (Harker et al., 1996; Kaewpintong et al., 2007), de tanque agitado (Ogbonna et al.,1999), de tipo tubular helicoidal (Hall et al., 2003), tipo cónico (Watanabe - Saiki, 1997), tipo toroidal (Pruvost et al., 2006), entre otros. El requerimiento de dióxido de carbono en el cultivo, permitió el plateamiento de alternativas de readucción de impacto ambiental donde los gases efluentes de plantas de potencia con alto contenido de CO2 pueden ser dirigidos a los cultivos para el crecimiento de las microalgas (Benemann, 1997; Usui- Ikenouchi, 1997; Yoshihara et al., 1996; Zeiler et al., 1995). También se ha realizado análisis económicos de diferentes alternativas de introducción de la corriente gaseosa rica en CO2 al medio de cultivo (Kadam, 1997). El cultivo de microalgas con fines comerciales va desde la obtención de Spirulina plateensis (Gómez et al., 2004), pasando por producciones de 100 l (usado en la producción de compuestos orgánicos) a más de 1010 l (usado para el cultivo de Dunaliella salina) (Borowitzka, 1999). Sin embargo, a parte de los cultivos especializados a pequeña escala
  10. 10. 117 (menor de 1000 l), predominan cuatro tipos de sistemas de cultivo: Estanques a cielo abierto, tanques circulares con brazo de agitación, raceways y bolsas grandes. Otros sistemas comerciales a gran escala incluyen tanques usados en acuicultura, sistema en cascada (Setlík et al., 1970) y sistemas de fermentación heterotrófico usados para el cultivo de Chlorella en Japón y Taiwán (Kawaguchi, 1980; Soong, 1980) y para el cultivo de Crypthecodinium cohnii en Estados Unidos (Kyle et al., 1992) (Kyle et al., 1998) A las microalgas se les da diversos usos entre los cuales se destacan la obtención de ácido eicosapentaenóico esterificado (Belarbi et al., 2000), sustancias bioactivas (Cravotto et al., 2008), antioxidantes naturales (Gómez et al., 2004; Lee et al., 2006), combustible para quema directa (Kadam, 2002), para mezcla con otros combustibles (Scragg et al., 2003), fuente de genes para la obtención a través de ingeniería metabólica de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga (Tonon et al., 2002) y precursores químicos (Wijffels, 2007). 4.3 Procesos de obtención de biodiesel a partir de microalgas El aceite puede ser transformado en biodiesel por transesterificación donde se combinan aceites vegetales y/o grasas animales con alcohol (metanol o etanol) en presencia de un catalizador con el fin de formar ésteres grasos. Del producto recuperado se separa la glicerina como un subproducto muy valioso para la industria. La mezcla de alcohol / éster restante se separa y el exceso de alcohol se recicla. Posteriormente los ésteres son sometidos a un proceso de purificación que consiste en el lavado con agua, secado al vacío y posterior filtrado (Demirbas, 2005). El aceite debe ser limpio y con un máximo de 0.5% de ácidos grasos libres. Después se mezcla el aceite con 16 % de metanol o 43% de etanol y con 1 - 3 % catalizador (KOH). El metanol o el etanol y el catalizador deben estar libres de agua. El aceite no debe tener mas de 0.1 % de H2O para evitar la formación de jabón (Demirbas, 2007). Existen una gran cantidad de aceites que permiten obtener biodiesel. Generalmente, la reacción de transesterificación es usada para transformar los aceites en presencia de un alcohol y un catalizador, debido a su rendimiento y fácil operación. La selección del alcohol para el proceso depende principalmente de criterios técnicos, económicos y de seguridad. Para asegurar un buen desempeño del combustible obtenido en motores diesel, el Comité Europeo de Estandarización (CEN) y la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) han establecidos unos criterios técnicos que deben satisfacerse. Debido a los criterios establecidos, la fuente de aceite debe tener ciertas características composicionales para satisfacer ambos estándares. Así, es importante verificar si las especies de microalgas pueden ser una fuente de aceite para la producción de biodiesel.; si es así, la reacción de transesterificación puede llevarse a cabo. Freedman et al. (1984) reportaron las variables principales que afectan el rendimiento en la transesterificación de aceites vegetales. Aunque su estudio no incluyó algas, los resultados pueden ser extendidos
  11. 11. 118 a este tipo aceite. Algunas de sus conclusiones incluyen que se alcanza mayor formación de esteres con aceites con un contenido de ácidos grasos libres menor al 0.5%. El alcohol debe ser anhidro. La relación e alcohol y aceite debe ser 6:1 para dar una óptima conversión. A reactores de gran escala, el 1% de hidróxido de sodio es efectivo como catalizador. Finalmente, puede obtenerse una conversión de esteres del 96-98% al transesterificar aceites refinados con metanol, etanol o butanol a 60°C, 75°C y 114°C respectivamente con 0.5% de metóxido de sodio. Adicionalmente, la producción de biodiesel mediante transesterificación genera glicerol como co-producto generando una saturación del mercado de este producto. CONCLUSIONES En los años recientes se ha experimentado un auge en la comunidad científica internacional por encontrar formas y fuentes más adecuadas de obtención de biocombustibles. Es una realidad que el uso de fuentes primarias de biomasa (aceite de palma africana, caña de azúcar, maíz, soya, entre otras) afecta notablemente la seguridad alimentaria mundial lo cual es un problema aún mayor que el suministro continuo de combustibles. También se critica la falta de adecuación ambiental de los cultivos en relación al consumo de agua para irrigación, a la fertilización química de los suelos, al uso a veces indiscriminado y abusivo de pesticidas y a la generación, sin ninguno o poco manejo, de residuos y subproductos, así como de efluentes contaminantes. En consecuencia, se han realizado esfuerzos por encontrar fuentes alternativas como los residuos lignocelulósicos y las microalgas, entre otros, que permitan obtener de manera mas económica y ambientalmente responsable biocombustibles sin afectar el delicado equilibrio alimentario mundial. Es evidente también que existen deficiencias significativas dentro de la cadena productiva de biodiesel entre las cuales se destacan: la falta de aprovechamiento de materias primas de alto rendimiento, la falta de estrategias de bioprospección de estas materias primas, la falta de tecnologías de extracción de aceite adaptadas a estas materias primas, la carencia de tecnologías de producción de biodiesel adaptadas a estos aceites y la falta de adaptación de los procesos de producción de biodiesel a las refinerías existentes, además de su correspondiente análisis económico. Es por esto que para lograr consolidar la industria del biodiesel es necesaria la continua investigación y desarrollo en el campo de las microalgas ya que estas, bajo un correcto enfoque investigativo, representan una alternativa con potencial para su desarrollo a escala industrial. REFERENCIAS F., Acién, J., Fernández, J., Sánchez, E., Molina, Y. Chisti, (2001) Airlift-driven external- loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance. Chem. Eng. Sci. Vol. 56 pp 2721–32. F., Acién, D., Hall, E., Cañizares, K., Krishna, E. Molina, (2003) Outdoor production of Phaeodactylum tricornutum biomass in a helical reactor. J. Biotech. Vol. 103 pp 137-152.
  12. 12. 119 F., Acién, F., García, Y. Chisti, (1999) Photobioreactors: light regime, mass transfer, and scaleup. Prog. Ind. Microb. Vol. 35 pp 231-247. I., Akkerman, M., Janssen, J., Rocha, R. Wijffels, (2002) Photobiological hydrogen production: photochemical efficiency and bioreactor design. Int. J. Hydrogen Energy Vol. 27 pp 1195–208. A., Ávila, A., Bula, H. Sanjuán, (2008) Cinética de la transesterificación de la oleína de Palma africana con etanol. Interciencia. Vol. 33 Nº 3 A., Banerjee, R., Sharma, Y., Chisti, U. Banerjee, (2002) Botryococcus braunii: a renewable source of hydrocarbons and other chemicals. Crit. Rev. Biotechnol. Vol. 22 pp 245–79. B., Barnwal, M. Sharma, (2005) Prospects of biodiesel production from vegetables oils in India. Renew. Sustain. Energy Rev. Vol. 9 pp 363–78. E., Belarbi, E., Molina, Y. Chisti, (2000) A process for high yield and scaleable recovery of high purity eicosapentaenoic acid esters from microalgae and fish oil. Enzyme Microb. Technol. Vol. 26 pp 516–29. J., Benemann, (1997) CO2 mitigation with microalgae systems. Energy Convers. Mgmt Vol. 38 pp 475-479. M. Borowitzka, (1999) Pharmaceuticals and agrochemicals from microalgae. En: Chemicals from microalgae. Cohen Z, Editor Taylor & Francis;. p. 313–52. F., Camacho, F., Acién, F., García, J., Sánchez, E. Molina, (1999) Prediction of dissolved oxygen and carbon dioxide concentration profiles in tubular photobioreactors for microalgal culture. Biotechnol. Bioeng. Vol. 62 pp 71–86. G.,Chini, L., Rodolfi, M.R.,Tredici. (2003) Mass cultivation of Nannochloropsis sp. in annular reactors. J. Appl. Phycol. Vol. 15 pp 107–114. Y. Chisti, (2008) Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology. Vol. 26 pp 126-131 Y., Chisti, (2007) Biodiesel from microalgae, Biotechnology Advances Vol. 25 pp 294- 306. Y. Chisti, (1980) An unusual hydrocarbon. J. Ramsay Soc pp 27–28. G., Cravotto, L., Boffa, S., Mantegna, P., Perego, M., Avogadro, P. Cintas, (2008) Improved extraction of vegetable oils under high-intensity ultrasound and/or microwaves. Ultrasonics sonochemistry. Vol. 15 pp 898-902.
  13. 13. 120 J., Degen, A., Uebele, A., Retze, U., Schmidt-Staigar, W.A., Trosch, (2001). A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through flashing light effect. J. Biotechnol. Vol. 92, pp 89–94. A. Demirbas, (2005) Biodiesel production from vegetable oils via catalytic and non- catalytic supercritical methanol transesterification methods. Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 31 No. 5–6 pp 466–87. A. Demirbas, (2007) Progress and recent trends in biofuels. Progress in Energy and Combustion Science, Vol 33, No. 1, pp 1-18. S., Donghui, F., Jingjuan, S. Dingji, (2008) Exploitation of oil-bearing microalgae for biodiesel. Chinese Journal of Biotechnology, Vol 24, No. 3. S., Duque, M. Nuñez, (2000) Microalgas Acuáticas de la Amazonía Colombiana. Biota Colombiana Vol. 1 No.2 pp 208-216. P., Felizardo, M., Correia, I., Raposo, J., Mendes, R., Berkemeier, J. Bordado, (2006) Production of biodiesel from waste frying oil. Waste Manag. Vol. 26, No.5, pp 487–94. B., Freedman, E., Pryde, T. Mounts, (1984) Variables affecting the yields of fatty esters from transesterified vegetable oils. J. Am. Oil Chem. Soc. Vol. 61, pp 1638-1643. F., García, E., Belarbi, M., Cerón, A., Sánchez, T., Chile, Y. Chisti, E. Molina, (2005) Shear effects on suspended marine sponge cells. Biochem. Eng. J. Vol. 26, pp 115–121. M., Ghirardi, J., Zhang, J., Lee, T., Flynn, M., Seibert, E., Greenbaum, A Melis. (2000) Microalgae: a green source of renewable H2. Trends Biotechnol Vol. 18 pp 506–511. D., Gómez, E., Ibañez, J., Rupérez, C. Barbas, (2004). Tocopherol measurement in edible products of vegetable origin. J. Chromato. A. Vol. 1054 pp 227-233 I., Guschina, J. Harwood, (2006) Lipids and lipid metabolism in eukaryotic algae. Prog. Lipid. Res. Vol. 45 pp 160–186. D.O., Hall, F.G.A., Fernandez, E.C., Guerrero, K.K., Rao, E.M., Grima. (2003) Outdoor helical tubular photobioreactors for microalgal production: modeling of fluid-dynamics and mass transfer and assessment of biomass productivity. Biotechnol. Bioeng. Vol. 82 pp 62–73. M., Harker, A.J., Tsavalos, A.J., Young, (1996) Autotrophic growth and carotenoid production of Haematococcus pluvialis in a 30 liter airlift photobioreactor. J. Ferment. Bioeng. Vol. 82, pp 113–118. R., Hase, H., Oikawa, C., Sasao, M., Morita, Y., Watanabe, (2000). Photosynthetic production of microalgal biomass in a raceway system under greenhouse conditions in Sendai City. J. Biosci. Bioeng. Vol. 89, pp 157– 163.
  14. 14. 121 K. Kadam, (2002) Environmental implications of power generation via coal microalgae cofiring, Energy Vol. 27, pp 905-922. K., Kadam, (1997) Power plant flue gas as a source of co2 for microalgae cultivation: economic impact of different process options. Energy Convers. Mgmt Vol. 38 pp 505 – 510. K., Kaewpintong, A., Shotipruk, S., Powtongsook, P., Pavasant, (2007) Photoautotrophic high-density cultivation of vegetative cells of Haematococcus pluvialis in airlift bioreactor. Bioresource Technol. Vol. 98, pp 288–295. K., Kawaguchi, (1980) Microalgae production systems in Asia. En: Algae Biomass Production and Use. Shelef, G., Soeder, C.J. (Eds.), Elsevier:North Holland Biomedical Press, Amsterdam, pp. 25–33. R. Kay, (1991) Microalgae as food and supplement. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. Vol. 30, pp 555–573. M., Kulkarni, A. Dalai, (2006) Waste cooking oil — an economical source for biodiesel: A review. Ind. Eng. Chem. Res. Vol. 45, pp 2901–2913. D., Kyle, K., Boswell, R., Gladue, S.E.,Reeb. (1992) Designer oils from microalgae as nutritional supplements. En: Biotechnology and Nutrition. Butterworth-Heinemann Bills, D.D., Kung, S.D. (Eds.), Boston, pp. 451–468. D.J., Kyle, S.E., Reeb, V.J., Sicotte. (1998) Dinoflagellate biomass, methods for its production, and compositions containing the same. USA Patent 5,711,983. H., Lee, M., Seo, Z., Kim, C. Lee, (2006) Determining the best specific light uptake rates for the lumostatic cultures in bubble column photobioreactors. Enz. Microb. Tech. Vol. 39, pp 447 – 452. Z., Liu, G., Wang, B. Zhou, (2008) Effect of iron on grow and lipid accumulation in Chlorella vulgaris. Bioresource Technology, Vol. 99; pp 4717 – 4722. R., Lorenz, G. Cysewski, (2003) Commercial potential for Haematococcus microalga as a natural source of astaxanthin. Trends Biotechnol. Vol. 18, pp 160–167. A. Melis,(2002) Green alga hydrogen production: progress, challenges and prospects. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 27, pp 1217–1228. B., Metting, J. Pyne, (1986) Biologically-active compounds from microalgae. Enzyme Microb. Technol; Vol. 8, pp 386–394. F. Metting, (1996) Biodiversity and application of microalgae. J. Ind. Microbiol. Vol. 17, pp 477–489.
  15. 15. 122 P., Metzger, C. Largeau, (2005) Botryococcus braunii: a rich source for hydrocarbons and related ether lipids. Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol. 66, pp 486–496. M., Mittelbach, B. Trathnigg, (1990) Kinetics of alkaline catalyzed methanolysis of sunflower oil. Fat Sci. Technol. Vol. 92, pp 145-148. E.,Molina, F., Acién, F., García, F., Camacho, Y. Chisti, (2000) Scale-up of tubular photobioreactors. J. Appl. Phycol. Vol. 12, pp 355–368. E., Molina, F., Acién, F., García, Y. Chisti, (1999) Photobioreactors: light regime, mass transfer, and scaleup. J. Biotechnol. Vol.70, pp 231–247. E., Molina, J., Fernández, F., Acién, Y. Chisti, (2001) Tubular photobioreactor design for algal cultures. Journal of Biotechnology Vol. 92, pp 113-131 N., Nagle, P. Lemke, (1990) Production of methyl-ester fuel from microalgae. Appl. Biochem. Biotechnol. Vol. 24, No.5, pp 355–361. H., Noureddini, D. Zhu,(1997) Kinetics of transesterification of soybean oil. J. Am. Oil Chem. Soc. Vol. 74, 1457-1463. J.C., Ogbonna, H., Tanaka, (2001) Photobioreactor design for photobiological production of hydrogen. En: Biohygrogen II – An Approach to Environmentally Acceptable Technology. Miyake, J., Matsunaga, T., San Pietro, A. (Eds.), Pergamon Press, London, pp. 245–261. J.C., Ogbonna, T., Soejima, H.,. Tanaka, (1999) An integrated solar and artificial light system for internal illumination of photobioreactors. J. Biotechnol. Vol. 70, pp 289–297. C. Pedroche, (2003) Diseño y construcción de un fotobioreactor para el cultivo de la microalga Spirulina sp.. Universidad Nacional Tesis de pregrado. I., Perner-Nochta, C. Posten,(2007) Simulations of light intensity variation in photobioreactors. Journal of Biotechnology Vol. 131, pp 276-285. J., Pruvost, L., Pottier, J. Legrand, (2006) Numerical investigation of hydrodynamic and mixing conditions in a torus photobioreactor. Chem. Eng. Sci Vol. 61, pp 4476–4489. A., Sánchez, A., Contreras, F., García, E., Molina, Y. Chisti, (1999) Comparative evaluation of compact photobioreactors for large-scale monoculture of microalgae. J. Biotechnol Vol. 70, pp 249–270. S., Sawayama, S., Inoue, Y., Dote, S. Yokoyama, (1995) CO2 fixation and oil production through microalga. Energy Convers. Manag. Vol. 36, pp 729–731.
  16. 16. 123 R. Schwartz. (1990) Pharmaceuticals from cultured algae. J. Ind. Microbiol. Vol. 5, pp 113–123. A., Scragg, A., Illman, A., Carden, S. Shales, (2002) Growth of microalgae with increased caloric values in a tubular bioreactor. Biomass & bioenergy. Vol. 23, pp 67-73. A., Scragg, J., Morrison, S. Shales, (2003) The use of a fuel containing Chlorella vulgaris in a diesel engine. Enzyme and microbial technology. Vol. 33, pp 884-889 I., Setlík, S., Veladimir, I., Malek, (1970) Dual purpose open circulation units for large scale culture of algae in temperate zones. I. Basic design considerations and scheme of pilot plant. Algol. Stud. (Trebon) Vol. 1, p 11. J., Sheehan, T., Dunahay, J., Benemann, P. Roessler, (1998) A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program—biodiesel from algae. National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO; Report NREL/TP-580–24190. D., Shi, Y., Deng, X. Zhao, et al. (2004) Cyanobacterial genetic engineering technology for recombinant pharmaceutical products. Proceedings of 2004 National Medicine Bioengineering Seminar of Chinese Society of Biotechnology.. Y. Shimizu, (2003) Microalgalmetabolites. Curr. Opin. Microbiol. Vol. 6, pp 236–243. S., Singh, B., Kate, U, Banerjee, (2005) Bioactive compounds from cyanobacteria and microalgae: an overview. Crit. Rev. Biotechnol. Vol.25, pp 73–95. P. Soong, (1980) Production and development of Chlorella and Spirulina in Taiwan. En:, Algae Biomass. Shelef, G., Soeder, C.J. (Eds.) pp 97–113. P., Spolaore, C., Joannis, E., Duran, A, Isambert, (2006) Commercial applications of microalgae. J. Biosci. Bioeng. Vol. 101, pp 87–96. J. Stell, (2004) Ethanol 101, Oil & Gas Journal, Vol: 102 No. 2 p: 15. T., Tonon, D., Harvey, T., Larson, I. Graham, (2002) Long chain polyunsaturated fatty acid production and partitioning to triacylglycerols in four microalgae. Phytochemistry. Vol. 61, pp 15-24. C., Ugwu, H., Aoyagi, H. Uchiyama, (2008) Photobioreactors for mass cultivation algae. Biores. Tech. Vol. 99, pp 4021-4028. C.U., Ugwu, J.C., Ogbonna, H., Tanaka, (2002). Improvement of mass transfer characteristics and productivities of inclined tubular photobioreactors by installation of internal static mixers. Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol. 58, 600–607.
  17. 17. 124 N., Usui, M. Ikenouchi, (1997) The Biological CO2 Fixation and Utilization Project by RITE(1) Highly-effective Photobioreactor System. Energy Convers. Mgmt Vol. 38, pp 487-492 T., Walter, S., Purton, D., Becker, C, Collet, (2005) Microalgae as bioreactor. Plant Cell. Rep. Vol. 24, pp 629–641. Y., Watanabe, H, Saiki, (1997) Development of photobioreactor incorporating Chlorella sp. for removal of CO2 in stack gas. Energy Convers. Manage. Vol. 38, pp 499–503. R., Wijffels, (2007) Potential of sponges and microalgae for marine biotechnology. Trends in Biotechnology. Vol. 26, pp 26-31. K., Yoshihara, H., Nasage, K., Eguchi, K., Hirata, K, Miyamoto. (1996) Biological elimination of nitric oxide and carbon dioxide from flue gas by marine microalga NOA- 13 cultivated in a long tubular photobioreactor. Journal of fermentationa nd bioengineering. Vol. 82, pp 351-354. K., Zeiler, D., Heacox, S., Toon, K., Kadam, L, Brown, (1995) The use of microalgae for assimilation and utilization of carbon dioxide from fossil fuel-fired power plant flue gas. Energy Convers. Mgmt Vol. 36, pp 707-712.

×