Alfredo Martínez JiménezInstituto de Biotecnología
Universidad Nacional Autónoma de México
POTENCIAL DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL CON ALGAS OLEAGINOSAS
BIOENERGÍA, BIODIÉSEL Y BIODIVERSIDADEN ZONAS ARIDAS
Universidad de Sonora. 27 de Noviembre, 2008
Biocombustibles: 1Biocombustibles: 1ªª y 2y 2ªª generacigeneracióónn
1ª GENERACIÓNLIMITACIONES
• Competencia por suelos agrícolas y
alimentos.• CO2 neutro
• Balance de Energía
2ª GENERACIÓNLIGNOCELULÓSICOS
(EtOH)MICROALGALES
OtrosEl Desarrollo de CyT para la
Producción de Biocombustibleses Inaplazable
¿En Zonas Áridas?
BioDiesel
MicroalgasMicroalgas MICROORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS
• Diversidad de hábitats: agua dulce, salobre, residual, suelos, amplio intervalo de T° y pH.
• Más de 100,000 especies, de las cuales sólo ~ 40,000 han sido identificadas.
• Criterios diversos de clasificación (color, ciclo vital, estructura celular…).
Arredondo B et al, 1991; Hu Q et al, 2008; Sheehan J et al, 1998.
MicroalgasMicroalgas
CATEGORÍA COMENTARIOS
Chlorophyceae(Algas verdes)
•Especies abundantes, esp. aguas dulces.• Existen como células individuales o colonias. •Reserva de C: almidón principalmente.
Bacillariophyceae(Diatomeas)
•Abundantes en océanos (aguas dulces y residuales).•Paredes celulares con Si. • Reservas de C: lípidos y polímeros de CH’s.
Chrysophyceae(Algas doradas)
•Predominan en agua dulce.•Sistemas complejos de pigmentación.•Reservas de C: lípidos y CH’s.
OTRAS CATEGORÍAS: Xantophyceae (algas verde-amarillas), Rhodophyceae (algas rojas), Phaeophyceae (algas cafés), Dinophyceae(dinoflageladas), Prasinophyceae y Eustigmatophyceae (plancton).
Eficiencia fotosintEficiencia fotosintééticatica
CONSIDERACIONES
• 1 mol O2 = 10 fotones (mínimo).• 1 mol CO2 = 14 fotones… Peso seco = 21.25 g, Hcomb = 547.8
kJ/mol C.• Photosynthetic Active Radiation (PAR) = 400-700 nm = 42.3 %
Espectro solar total.Energía Promedio: 218 KJ/mol fotones.
EFICIENCIA MÁXIMA TEÓRICA =9% ENERGÍA SOLAR TOTAL
FRACCIÓN DE LA ENERGÍA LUMINOSA FIJADA COMO ENERGÍA QUÍMICA DURANTE EL
CRECIMIENTO FOTOAUTÓTROFO
Wijfells RH, 2007
H2
• Emisiones libres de GEI. • Catalizada por nitrogenasas /
hidrogenasas* (anaerobiosis).• Cianobacterias, bacterias
fotosintéticas y algas verdes.
• Procesos: 2 etapas o simultáneo.
• Acoplado a desalinización y captura de CO2.
H2O* 2 H+ +2 e- + ½ O2
2 H+ + 2 e- H2
Ghirardi ML et al, 2000; Schenk PM et al, 2008.
BIOGAS (CH4)
• Microalgas: opción atractiva.- Mayor disponibilidad de biomasa ante una eficiencia de producción superior (5 – 30 veces).- Composición química idónea. RENDIMIENTO: 150-300 tons/ha/año
200,000-400,000 m3/ha/año• Limitación: $.
OTROS: Bioetanol, BTL.
Biocombustibles Biocombustibles microalgalesmicroalgales
Biodiesel de plantas oleaginosasBiodiesel de plantas oleaginosas
LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE PLANTAS OLEAGINOSAS NO ES CAPAZ DE
DESPLAZAR EN UNA PORCIÓN CONSIDERABLE AL DIESEL DE PETRÓLEO.
Kalscheuer R et al, 2006; Li X et al, 2007; Schenk PM et al, 2008.
• Dependencia geográfica y estacional a las regiones de cultivo.
• Productividad lipídica restringida (~ 20%). • Tecnología agrícola. • Problemas ambientales: fertilizantes, pesticidas,
agua, uso de suelos no agrícolas• Largos periodos de producción (meses-años).• Extensa superficie de cultivo requerida. • Materia prima insuficiente.
• Mayor productividad lipídica. • Cortos periodos de producción (días). • Escasa superficie requerida (marginal). • Alta eficiencia fotosintética (~ 3-6%). • Eficacia en la asimilación de CO2 y nutrientes.• Agua (menores requerimientos y flexibilidad). • Reciclaje de CO2. • Manipulación del contenido lipídico.• Composición biomásica simple
(fermentabilidad).• Diversidad ecológica, genotípica y metabólica.• Potencial ilimitado de desarrollo?
Biodiesel de microalgasBiodiesel de microalgas
Arredondo B et al, 1991; Dismukes GC et al, 2008; Li X et al, 2007;Schenk PM et al, 2008; Sheehan J et al, 1998; Williams PJLeB, 2007.
ES UNA TECNOLOGÍA
CAPAZ DE DESPLAZAR
CONSIDERABLEMENTE AL DIESEL DE PETRÓLEO.
MicroalgasMicroalgasoleaginosasoleaginosas
MICROALGA % LÍPIDOS
Botryococcus braunii var. B 53.0 - 86.0
Nannochloropsis salina 40.8 – 72.2Nitschia sp. 45.0 – 47.0
Monallantus salina 20.0 – 72.2
Ochromonas dánica 39.0 – 71.0
ACUMULACIÓN LÍPIDOSCondiciones limitadas de
crecimiento
CRECIMIENTO FAVORABLE
Lípidos: ~ 10-30% dcw
Arredondo B et al, 1991; Gatenby et al, 2003; Metzger P et al, 2005;Richmond A, 1986; Schenk PM et al, 2008.
Perfil lipPerfil lipíídico deseabledico deseable
PERFIL LIPÍDICO• Triacilgliceroles
.• Fosfolípidos. • Glicolípidos. • Esteroles. • Hidrocarburos. • Ceras. • Pigmentos
Arredondo B et al, 1991; Richmond A, 1986; Schenk PM et al, 2008.
30-40%
COMPOSICIÓN IDEAL TAGsAGs: Cadena larga, poco ramificados, alto grado de
saturación.
LÍPIDOS ADECUADOS PARA PRODUCIR BIODIESEL
Schenk PM et al, 2008; Wijffels RH, 2007.
Sistemas abiertos: estanquesSistemas abiertos: estanquesASPECTOS GENERALES• Estanques tipo pista de carreras. • Sistemas de producción microalgal
a gran escala usados en la actualidad.
• Profundidad: 15 – 20 cm.• Producción estimada; 0.5 - 1 g/L.
~ 60-100 mg/L/d = 10-25 g/m2/d.
VENTAJAS DESVENTAJASSimplicidad. Evaporación.
‘Bajo’ costo. Contaminación (extremófilos).
‘Fácil’mantenimiento.
Baja productividad.
COSECHA DE BIOMASA
Factor determinante del costo.
Eriksen NT, 2008; Schenk PM et al, 2008; Wijffels RH, 2007.
Sistemas cerrados: Sistemas cerrados: fotobioreactoresfotobioreactores
ASPECTOS GENERALES• Ahorro: agua, energía, nutrientes.• Elevadas productividades y
eficiencia de cosecha. • Contaminación poco probable. • Flexibilidad en la especie a cultivar.• Costo elevado.
REACTORES PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES (< $)
FACTORES DETERMINANTES - $, EFICIENCIA Y DISEÑO
LUZ: Suministro, distribución y empleo• Obtener elevadas PE ~ 9%
(conseguidas a bajas intensidades luminosas).
• Evitar efectos de saturación de luz. • Optimizar dilución de luz (m2/m3).
MEZCLADO• Disminuir energía requerida.• Prevenir sedimentación. • Transferencia de gases
(CO2).• Otros
Carvahlo AP et al, 2006; Eriksen NT, 2008; Pulz O, 2007; Schenk PM et al, 2008; Wijffels RH, 2007.
SISTEMA DE PRODUCCIÓN PROPUESTO
¿En Zonas Áridas?Fotobio-reactoresCombinado con
Estanques
N. N. oleoabundansoleoabundans• Microalga edáfica eucarionte. • Localización: suelos áridos. • Origen: Arabia Saudita.
Chantanachat & Bold (1962).• Oleaginosa (1970).• Contenido lipídico: 30% - ??%. • Triglicéridos: principal componente de la fracción
lipídica. • Lípidos similares a los de origen vegetal.
Richmond A, 1986; Band CJ et al, 1992; Metzger P et al 1982.
¿ES UNA MICROALGA ADECUADA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL?
Aceites a Partir de Algas
• Algas + Luz Solar + CO2 + Minerales (Agua de Mar) Masa Celular (Proteínas + Carbohidratos) + lípidos (Bio‐Diesel)
Limitación de NutrientesLimitación de NitrógenoAcumulación de Lípidos
Garibay-Hernández, REMBIO 2008
La limitación de Nitrógeno atenúa la división celular, sin embargo favorece valores superiores de peso celular
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
5
10
15
[N] mM
Peso
cel
ular
(pg
/ cél
ula)
Peso celular de cultivos sometidos a distintos grados de limitación de Nitrógeno después de 9 d de cultivo.
La deficiencia de N2 promueve el incremento del contenido celular oleaginoso y de la fracción lipídica
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
1
2
3
4
5
6
[N] mM
Con
teni
do c
elul
arol
eagi
noso
(pg L
ípid
os /
célu
la)
Contenido celular oleaginoso de cultivos sometidos a distintos
grados de limitación de Nitrógenodespués de 9 d de cultivo.
•Nitrógeno•Fosfatos•pH•Temperatura•Tipo de Agua
Potencial
3215
8
Producción estimada de biodiesel considerando los parámetros lipídicos máximos derivados del presente estudio. Se considera un sistema de producción de estanque abierto de 1 ha de superficie y 20 cm de altura, 80% TAGs, 80% de eficiencia de trans-esterificación, producción durante el 90% del año y densidad del biodiesel de 0.864 kg/L:
24,000 L BIODIESEL/Ha/año0.4% Superficie del PaísAlimentando aire: ¿CO2?PRODUCCIÓN: Tons/ha/año
Volteamos la Tortilla
ConclusionesZonas Áridas: Algas
Aceites, otros productos2009: Pruebas de Campo
IBt- UNAMAdriana Hernández GaribayLeobardo Serrano CarreónRafael Vazquez D.
CICESE Baja CaliforniaEdo. Yucatán
CONACyT ProyectosSAGARPA 2004-C01-224Edo. Morelos 2004-C02-48PAPIIT – DGAPA - UNAM
IN220908
BioDiesel
Alfredo Martínez Jiménez
[email protected]://pbr322.ibt.unam.mx/~alfredo/
