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Universidad Rey Juan Carlos

Las algas: un biocombustible con potencial

Las algas: un biocombustible con potencial

Antes de comentar sus usos, conviene diferenciar las algas según su tamaño. Las mi­croalgas son microorganismos fotosintéticos, procariotas y eucariotas, unicelulares o fi­lamentosos, de tamaño inferior a 0,02 cm. Las meso algas miden entre 0,02 y 3 cm, y las macroalgas son algas pluricelulares de diversas formas y tamaños que van desde pocos centímetros hasta varios metros de longitud.

Las algas, además de para la obtención de biocombustibles y biogás, las algas pueden emplearse en procesos de captura de CO2 y secuestro de GEI utilizando micro y meso algas.

En cuanto a la obtención de biocombustibles a partir de algas, puede dividirse para su estudio de la siguiente manera:

  • Combustible directo para producción de calor y electricidad: difícilmente via­ble por su alto contenido en humedad y en sales.
  • Obtención de hidrógeno: aún en proceso de investigación incipiente. Se basa en el empleo de algas ricas en carbohidratos que, bajo determinadas condiciones, constituyen la fuente de energía para procesos celulares de hidrólisis del agua y liberación de hidrógeno.
  • Bioetanol: mediante el empleo de las levaduras adecuadas, se produce la fermen­tación, aunque la composición de los monosacáridos de las algas dificulta el proce­so de hidrólisis y fermentación.
  • Metano: por digestión anaeróbica, mediante procesado hidrotermal y reprocesado del CO2. También se puede producir biogás a partir de macroalgas, aunque actual­mente no resulta viable su producción, mediante fermentación anaeróbica. Este proceso conlleva la conversión biológica de los componentes orgánicos de las al­gas en productos más sencillos, como acetatos, CO2 e hidrógeno. Posteriormente, estos productos son atacados por una serie de bacterias metano génicas para llegar a obtenerse metano y CO2.
  • Biodiesel: a través de procesos termoquímicos tipo Fischer-Tropsch, a partir de algas ricas en polisacáridos. Se presentan problemas para extraerlos de manera eficiente y, en esta línea, se enfocan actualmente la mayoría de las investigacio­nes, como las de la empresa Plankton Power, Solazyme, Exxon-Venter o Sapphire Energy.
  • Gas de síntesis: pueden emplearse como materia prima para la obtención de bio­combustibles líquidos o alcoholes, además de para obtener hidrógeno. Sin embar­go, con la tecnología actual, no tiene sentido aplicar la técnica de gasificación a la biomasa microalgal por el alto contenido en humedad que poseen.

Actualmente se está investigando con varias tecnologías para este fin:

  • Por captación fotosintética: las algas son organismos fotosintéticos y, por lo tan­to, fijan CO2. Estas técnicas requieren aporte de gran cantidad de este gas o de aire enriquecido en él, tanto como fuente de carbono como para contribuir a la regu­lación del pH del medio en que se desarrollan. El coste del CO2 es elevado, pero podría resultar interesante como forma de utilizar el procedente de emisiones de industrias o el del contenido de efluentes de piscifactorías, etc.
  • Por inducción de blooms oceánicos de fitoplancton: sistema que, aunque diver­sas empresas están investigando en EUA, parece que aún es poco efectivo. Se em­plean blooms específicos de cocolitofóridos, que son microalgas con exoesqueleto de CaCO3.

Estos blooms masivos de algas, o desarrollo en masa de manera controlada de es­tas especies, se asemeja a reproducir las condiciones en las que se formaron gran parte de los combustibles fósiles que empleamos convencionalmente, formados hace millones de años debido al calentamiento del planeta.

Los blooms son acumulaciones de algas que pueden acumular carbono y secues­trar una gran cantidad de dióxido de carbono (CO2) de las capas superficiales de los mares. El hierro es un nutriente que incrementa la eficiencia de la fotosíntesis, debido a que las enzimas portadoras de hierro participan de manera activa en la transferencia de energía en el proceso fotosintético. Sin embargo, en algunas zo­nas del océano, aunque las condiciones para el crecimiento del fitoplancton son óptimas, hay una deficiencia de hierro que limita la fotosíntesis y la productividad biológica en general, lo cual limita el desarrollo de estos blooms. Esta fue una de las investigaciones que se llevaron a cabo en 2004 en el océano Antártico en el marco del Experimento Europeo de Fertilización del Hierro (EIFEX).

  • Por bioprecipitación catalítica inducida en chimenea (tecnología aun sin ter­minar de implantar). También hay investigaciones recientes encaminadas a la obtención de H2 directamente con macroalgas (Park y cols: Biotechnology and Bioprocess Engineering).

Las primeras tecnologías para obtención de biocombustibles (EUA, 1970) a partir de algas trabajaban con macroalgas en plataformas flotantes tipo plataformas petroleras. Actual­mente existe un programa en Asia que crea cinturones de macroalgas alrededor de la costa de Corea, más como sumidero de CO2 que como generador de biomasa.

El cultivo de las algas puede llevarse a cabo intentando reproducir el ciclo de vida del alga o aprovechando la potencialidad de multiplicación vegetativa de muchas especies, es decir, que puede regenerarse un individuo nuevo completo a partir de un trozo de alga.

Al igual que con crustáceos y mariscos, los cultivos pueden llevarse a cabo en instalacio­nes en puerto (en tierra firme) de manera similar a las piscifactorías de interior o pueden desarrollarse en el mar, aunque algunas fases (asemillado y sembrado) se completen en tierra y posteriormente se “trasplanten” al mar (sistema mixto).

En el caso de cultivo enteramente en el mar, solo se pueden emplear especies que se desa­rrollan mediante propagación vegetativa. En ese caso, se hace una fragmentación manual o mecánica y una resiembra de los fragmentos.

En Japón se vienen cultivando macroalgas desde hace ya muchos años. Entre los méto­dos de cultivo de macroalgas más habituales, se encuentra el cultivo en balsa. Consiste en unir una serie de canastas de bambú de forma cilíndrica en cuyo interior se aloja un pequeño cilindro con nutrientes que se va reponiendo a medida que se consume.

Otra forma es mediante balsas de tubo de una línea o de dos. En las de una línea, de unos 60 m de largo, cada 6 m se ata un recipiente poroso conteniendo el fertilizante. Las balsas de tubo de dos líneas son estructuras en forma de escalera con los recipientes con fertili­zante atados cada cierta distancia.

En áreas poco profundas se emplean también los métodos clásicos de cultivo en el fondo mediante el uso de balsas flotantes a las que se fijan unas grandes piedras o canastas para que las algas se adhieran.

Las macroalgas también se cultivan creciendo en cuerdas alrededor de las jaulas flotantes para cría de salmón en Chile, para disminuir la carga de nutrientes en el agua y la conse­cuente eutrofización en zonas costeras.

Las microalgas se presentan actualmente como una buena opción como fuente de mate­ria prima para la obtención de biocombustibles sin presentar algunos de los inconvenien­tes que tienen los cultivos energéticos convencionales. Su desarrollo se hace en espacios confinados, tipo centros de producción intensivos, y no compiten por los usos del suelo ni con otras actividades agrarias. Además, son muy poco exigentes en insumos energéticos y se pueden desarrollar sobre aguas cuya calidad no serviría para el riego de la mayoría de las especies cultivadas.

Aunque aún está en fase de investigación y desarrollo, el empleo de algas para obtención de aceite susceptible de transformarse en biodiesel es una tecnología madura y lo sufi­cientemente avanzada como para que se hubiera implantado más. Sin embargo, parece ser que actualmente hay mejor mercado para los productos obtenidos de las algas en el sector de la cosmética, la parafarmacia e incluso la alimentación animal, pagándose mucho mejor los productos en estos sectores y trayendo como consecuencia un cierto abandono de su uso para biocombustibles.

Los procedimientos se basan en someter a ciertas algas a situaciones de privación y au­mento brusco de luz, temperatura controlada, exceso de nutrientes con privación de ni­trógeno..., y entonces estas desarrollan su capacidad para generar lípidos en una gran cantidad, que en algunos casos puede llegar hasta el 70 % de su propia masa.

La manipulación genética es básica para obtener organismos que aumenten estas capa­cidades de producción de aceites, de manera que el proceso completo en los llamados biorreactores puede conseguirse en apenas cuatro o cinco días en un proceso de flujo continuo con entradas de algas y nutrientes en unos estanques poco profundos para que reciban bien la luz. También se lleva a cabo el proceso en tubos de vidrio similares a gran­des tubos fluorescentes que se orientan hacia la luz solar y son agitados constantemente.

A continuación, se seca el alga, se prensa para extraer el aceite y se completa la extracción con disolventes, como ciclo hexano, para posteriormente destilarse el conjunto y separa los aceites.

La agitación es un factor fundamental para el desarrollo del cultivo. Su principal objetivo es homogeneizar el medio para evitar gradientes de temperatura y de concentración y ha­cer que todas las células obtengan la misma cantidad de luz solar. Cuanto mayor es la agi­tación, más irradiación reciben las algas y eso se traduce en un aumento de producción. Sin embargo, una agitación excesiva puede producir mecánicos en las células, llegando a provocar su muerte o inhibiendo su desarrollo. Además, la agitación demanda un consu­mo de energía que hay que cuantificar para ver la eficiencia del sistema.

Por otro lado, el cosechado es actualmente uno de los factores principales que determinan el rendimiento de una instalación para aprovechamiento de algas. Las microalgas suelen medir entre 2 y 200 micras y se cultivan a densidades normalmente bajas, lo cual dificulta mucho su cosechado. Actualmente, los métodos se basan en centrifugación y no es viable en grandes volúmenes. La investigación se está dirigiendo hacia la obtención de algas de mayor tamaño para reducir los costes de cosechado, intentando trabajar con algas de tamaño meso (0,02-3 cm) en los reactores.

Entre las formas de cosechado que actualmente se están investigando, se puede hablar de:

  • Filtración: para mesoalgas.
  • Floculación-decantación.
  • Nanopartículas.
  • Secreción directa de hidrocarburos/diesel al medio.

                                                    componentes-foto-bioreactor

Así, se estima que la producción en sistema de lagunas puede cifrarse en 140.290 litros/ ha por año y la que se obtiene por tecnología de fotobioreactores alcanzar los 1.402.910 l/ ha y año.

Las principales especies de algas que se están utilizando son: Clorophyta, Bacillariophyta (Diatomeas), Heterokontophyta y Cianobacterias. A esta lista se añaden otras en fase de investigación menos desarrollada, como las algas rojas Rodophyta y los dinoflagelados Dinophyta.

Las principales especies de algas y sus respectivos contenidos en aceite expresado en porcentaje de peso de biomasa seca son:

Schizochytrium sp

50-77

Nitzschia sp

45-47

Neochloris oleoabundans

35-64

Chorella sp

28-32

Isochyris sp

25-35

 

                                               opciones-para-el-procesado-de-algas

Dos factores que limitan claramente la posibilidad de instalar plantas de obtención de biocombustibles a partir de algas son la luz (más concretamente la Tasa de Irradiación Diaria, PAR) y la temperatura, de manera que estas plantas no tengan necesidad de dete­ner nunca su funcionamiento por falta de luz o por bajada o excesiva subida de tempera­tura; ya que, en caso de interrupción de los procesos, serían necesarios otros tres meses para que se activaran al máximo de productividad.

                                               tasa-irradiación-diaria

Por otro lado, los procesos implican la utilización de CO2 y eso supone que su ubicación ha de estar cerca de plantas generadoras de este gas. El beneficio es mutuo pues se libera a la industria de un grave contaminante. Sin embargo, geográficamente no suelen coin­cidir las áreas con alta actividad industrial con aquellas que reúnen las características de luz y temperatura descritas.

Además, en caso de utilizar gases de combustión como fuente de CO2, hay que extremar las precauciones en su manejo para que no se reemitan a la atmósfera. En instalaciones grandes, se plantea generar electricidad y/o calor a partir de biogás o residuos proceden­tes del proceso de valorización de la biomasa.

Entre otras formas de obtener CO2, se plantea la opción de asociar el cultivo energético de algas a actividades de policultivo marino, con peces, mariscos..., que pueda suministrar agua carbonatada por la actividad metabólica de estos animales, con la reutilización del CO2 de los fermentadores de biomasa de algas in situ.

En cuanto a los sistemas de cultivo de algas, hay dos tipos de procesos a gran escala: los sistemas abiertos y los cerrados. En los abiertos, el cultivo está expuesto a la atmósfera; en los cerrados, se hace en espacios confinados con plásticos, vidrio y policarbonato.

 

Sistemas cerrados

Sistemas abiertos

Control de contaminación

Fácil

Difícil

Régimen de operación

Contínuo- semicontínuo

Semicontínuo- estanco

Razón área/ volúmen

Alta 1/10

Baja 5/10

Densidad celular

Alta

Baja

Control del proceso

Fácil

Difícil

Inversión

Alta

Baja

Costes de operación

Altos

Bajos

Escalado

Difícil

Fácil

Eficiencia de utilización de luz

Buena

Baja


Actualmente, la mayoría del cultivo de algas se hace en sistemas conocidos como raceway o estanques abiertos circulares. Este sistema tiene el inconveniente de verse fácilmente contaminado y de ser complicado el control de la temperatura. Además, si se cultiva con menos de 15 cm de profundidad, se dan problemas de reducción de turbulencia y flujo o se dificulta también con más de 30 cm por la necesidad de agitación.

Costes de producción de microalgas (x 1.000 US$)

REAL Dunaliella (obtención de ß-caroteno) 10 ha de raceway (realidad actual)

POTENCIAL Planta de biocombustibles 10 ha raceway (visión optimizada al máximo)

Personal

500 (n=20)

120 (n=8)

Electricidad (0,125 US $/kW)

180

30

Fertilizantes (N, P, Fe, etc)

36

36

Impuestos locales

50

10

CO2 (500 US $/t)

150

5

Agua de mar (0,25 US $/m3)

200

5

Agua

20

10

Varios

30

20

Costes totales de producción

1.166

236

Producción anual (t ps/año)

70

700

Rendimiento (g m2día)

2

20

Coste biomasa (en US $/kg ps)

17

0,34

Precio mercado (US $/kg ps)

4.000

<0,5

Ventas totales (M US $/año)

100

¿?

Mercado global

limitado

infinito

                                            

                                                    Sistema raceway. Fuente: Centro de Biotecnología Marina de Las Palmas.

                                                  

                                                  Ensayos de cultivo de algas. Fuente: Centro de Biotecnología Marina de Las Palmas.

Cultivo en fotobiorreactores. Son sistemas en los que existe una separación física entre el cultivo y el medio. Hay un mejor control de condiciones, pero resultan más caros.

Se puede hablar de tres tipos de biorreactores actualmente: los de lazo externo, los pane­les planos y los verticales tubulares o de columna de burbujeo. En los primeros, se hace circular el cultivo de algas entre un lazo externo (receptor solar) y un sistema de burbujeo, generalmente mediante sistemas neumáticos o mecánicos. Los lazos están formados por tubos de 1 a 10 cm de diámetro unidos entre sí formando conjuntos que pueden ir desde una decena hasta varios cientos de metros de longitud. Estos tubos se pueden disponer horizontal o verticalmente y se trabaja con volúmenes de hasta 700 m3.

Los foto-biorreactores de paneles planos están formados por láminas de plástico verticales o inclinadas separadas entre 2 y 20 cm, entre las que se agita el cultivo. Se obtienen gran­des superficies expuestas a la luz, pero el agitado es menos eficaz.

Los sistemas verticales se basan en un tubo vertical de 1-3 m de altura y 5-50 cm de diáme­tro, en el que la agitación se consigue burbujeando aire. Absorben menos radiación, pero presentan la ventaja de no acumular oxígeno. Se está desarrollando un prototipo en el que la agitación se consigue burbujeo con vortex.

                                   proceso-de-obtención-de-aceite-de-microalgas

En resumen, el futuro para desarrollar de manera eficiente la obtención de biocombusti­bles a partir de algas debería pasar por los siguientes pasos, recogidos en este esquema durante la Conferencia Bio-Oil celebrada en Oviedo:

  • Especies: prospección y modificación genética.
  • Tecnologías de cultivo:
    - Optimización de la producción.
    - Eficiencia energética.
    - Mejora de materiales.
  • Desarrollo del downstreaming:
    - Procesos de preconcentración.
    - Deshidratación.
    - Extracción y separación.
    - Nuevas tecnologías de procesamiento en húmedo.
    - Producción de biocombustibles.
  • Optimización de inputs:
    - Gases
    - Consumo de agua.
    - Consumo de nutrientes.
  • Biorrefinería:
    - Aprovechamiento integral de la biomasa.
    - Productos energéticos.
    - Productos de alto valor añadido.
    - Nutrición.
    - Acuicultura.

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