Post on 05-Jan-2020
BiotecnologBiotecnologíía y Alimentacia y Alimentacióónn
IV.IV. Medio ambienteMedio ambiente
CURSO DE BIOTECNOLOGCURSO DE BIOTECNOLOGÍÍA EN LA EMPRESAA EN LA EMPRESAV EDICIV EDICIÓÓNN
David TomDavid Tomáás s FornFornééssdtomas@ainia.esdtomas@ainia.es
BIOENERGBIOENERGÍÍA COMO SOLUCIA COMO SOLUCIÓÓN N AL APROVECHAMIENTO AL APROVECHAMIENTO
DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALESDE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES
CONTENIDOS
3
• INTRODUCCION
• REQUERIMIENTOS BASICOS DE CULTIVO
• USOS DE LAS MICROALGAS
• SISTEMAS DE CULTIVO DE MICROALGAS
• SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS
• POSIBILIDADES DE DESARROLLO
• RUEGOS Y PREGUNTAS
www.ainia.es
INTRODUCCION
4
¿Quienes son las algas?
www.ainia.es
Más de 80.000 especies conocidas / 5.000 estudiadas
Elevadas eficiencias fotosintéticas (1-2% vegetales / 5-8% microalgas)
Elevadas productividades
• biomasa (35 g/m2.d = 0,15 g/L.d)
• aceite (L/ha.a): microalgas 58.000 vs. palma 5.800
Grupo heterogéneo de organismos en medio acuático dulce o salino (macroalgas,
microalgas, cianobacterias...)
Alto aprovechamiento de su biomasa
PROBLEMA: los costes de producción!!!!
10 > !!
REQUERIMIENTOS DE CULTIVO
5
LUZ
fuente de energía
CO2
fuente de C
NUTRIENTES
macro y
micronutrientes (N,
P,K, etc.)
BIOMASA ALGAL
MEDIO ACUATICO
REQUERIMIENTOS DE CULTIVO
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• LUZ : fuente de energía
• CO2 : fuente de C
• NPK: metabolismo y
síntesis de proteínas
CONDICIONES FOTOAUTOTROFICAS
RW (30 cm)
• densidad: 0,5 g MS/L
• prod.: 0,15 g/L.d
• LUZ : fuente de energía
• CO2 : fuente de C
• NPK
CONDICIONES MIXOTROFICAS (Alto contenido en materia orgánica)
CULTIVOS LAMINARES
(1-4 cm)
• densidad: 10 g MS/L
• prod.: 0,95 g/L.d• M. Orgánica (DQO)
fuentes C y energía
REQUERIMIENTOS DE CULTIVO
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EDAR
Aislamientos en placacon antibióticos
EnriquecimientosColonizaciónfotoautotrofica
Indígena B Indígena CIndígena M4
Cepas indígenas aisladas
AISLAMIENTO DE MICROORGALGAS DE MEDIOS NATURALES
Banco de mircoorganismos
de ainia
USOS DE LAS MICROALGAS
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CARBOHIDRATOS
• Bioetanol
• Cerveza
• Galletas
LIPIDOS
• Biodiesel
• PUFAs (Ω3, Ω6)
PROTEINAS
• Alimentación animal
(S. platensis)
MICROALGAS
EXTRACTOS
• Luteína (atiox.) (S. almeriensis)
• Bioestimulantes
• Etanol
TODO
• Biogás
• Biofertilizantes
• Acuicultura
• Aditivos alimentarios
EXCRECION
• Astaxantina (atiox.) (H. pluvialis)
• Etanol
• Polisacáridos
• Lípidos (B. braunii)
• Convencionales
• Supercrítica
USOS DE LAS MICROALGAS
9www.ainia.es
BIODIESEL-BIOGAS: Desarrollo e integración de tecnologías para el
aprovechamiento energético integral de Microalgas. -> P. BIOMAQUA
Microalgas para BIODIESEL : Solix, Seambiotic, Oil Fox,
http://www.makebiofuel.co.uk/news/eads-aircraft-runs-on-algae-biofuel
BIOGAS: Técnicas avanzadas de cultivo y valorización energética de microalgas.
-> P. ALGAMET
BIOCOMBUSTIBLES
Etanol: Producción directa de etanol con microalgas. Algenol
http://www.cyanotech.com/company/facility.html
AINIA
GAIKER CIDAUT
USOS DE LAS MICROALGAS
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INGREDIENTES NUTRICIONALES (galletas): alimentos a partir de microalgas que
refuerzan sistema inmune. -> P. INMUGAL
PRINCIPIOS ACTIVOS: Bioproducción de principios activos (colorantes
alimentarios, PUFAS, polisacáridos, etc.) a partir de microalgas. -> P.
NUTRIALGAE
NUTRACEUTICA: Nuevas técnicas de extracción de fracciones de microalgas
enriquecidas en Omega 3. Ejemplo. -> P. EXTRASUPER
BIOESTIMULANTES: Desarrollo de bioestimulantes/biodefensivos a partir de
microalgas que aumenten la productividad en campo.
SECTOR ALIMENTARIO
SECTOR AGRONOMICO
SECTOR COSMETICO
NUEVOS PRODUCTOS: “Cosmetic Ingredients from the Sea Natural Cosmetic ”.
USOS DE LAS MICROALGAS
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..... Biorrefinería
Agencia internacional de la Energía T42:
Proceso sostenible de procesar biomasa en un amplio espectro de bio-
productos (alimentos, químicos, materiales) y biocombustibles y/o
energía así como maximizando el valor añadido de los compuestos
extraídos.
Tubulares verticales
SISTEMAS DE CULTIVO DE MICROALGAS
12www.ainia.es
Bolsas verticales
Bolsas sumergidas
Tubulares horizontalesAbiertos tipo Race Way
Bolsas planas
SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS
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SITUACION PLANTAS DE BIOGAS AGROINDUSTRIALES
• Entorno agrícola -> espacio
• Elevados niveles de insolación (España)
• Disponibilidad CO2 in situ (posible purificación)
• Nutrientes in situ
BENEFICIOS
• Biomasa con capacidad nutricional para alimentación animal
• Biomasa con capacidad biofertilizante / bioestimulante
• Minimización del N a gestionar (170 kg/ha.a)
• Biomasa biometanizable (400 – 550 L biogás/kg SV)
ESCOLLOS -> Costes de producción
• mano de obra
• cosechado
• energía de operación...
SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS
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LIFE CYCLE ANALISIS (LCA)
PBR
BiogasCO2CH4
Digestate(N P K)
CO2
Heat Power
Generator(HPG)
CH4
ENERGYAll algae biomass
HARVESTING
H2O
Organic waste
BIOGASPLANT
Biogas scenarioPBR
BIODIESEL
Algae non lipids
Engine
ENERGYAlgae lipids
HARVESTING/ LIPID EXTRACTION
H2O
GlycerineOther
reagents
BIODIESEL PLANT
Biodiesel scenario
VS.
Proyecto BIOMAQUA
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SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS
1 m3 biogás
CH4
CO2
CHP 1 m3 (aprox.)
CO2
(1,96 kg)
1,07 kg MS
microalgas
Contiene
0,086 kg N
Concentración N en digestato
(aprox.)
2 kg N/m30,043 m3
digestato req.
8 % N
1,83
kg CO2/kg MS
SINERGIAS ENTRE MICROALGAS Y BIOGÁS
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1 ha RWDIG TOTAL
27.375 m3/a
500 KW
3000 m3
CHP
Biomasa algal
109 t/a
COSECHA
30% costesDIG. FIJADO
4.380 m3/a
DIG. A GESTIONAR
22.995 m3/a
R. Agro
CO2 1.400 t/a
CO2 200 t/a
CO2 1.200 t/a
H2O
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (días)
Bio
gás [
L/kg S
V]
S. almeriensis C. reinhardtii N. gaditana
Potencial de biometanización
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POSIBILIDADES DE DESARROLLO
ESCOLLOS CAMPOS EN DESARROLLO
Costes de producción
Sistemas de cultivo
Cosechado “low cost” -> Propuesta Life
Sistemas automatizados y sencillos
Nutrientes a bajo coste (EDAR, EDARI, digestatos…)
Diseños más eficientes (ej./ Incremento de la captación
lumínica) -> Proyecto Cenit Vida
Sistemas automatizados y sencillos
Cultivos mixotróficos (10 g/L)
CO2 a bajo coste (centrales térmicas, biogás post
combustión, procesos fermentativos…)
Materiales bajo coste (bolsas...)
Abordaje integral contemplando objetivos definidos y teniendo en
cuenta los aspectos microbiológicos, productivos y de valorización
exhaustiva de los cultivos algales (biorrefinería).
El escenario del biogás agroindustrial ofrece condiciones propicias
para la producción y aprovechamiento sostenible de las microalgas
aprovechando sinergias de corrientes residuales y que desde ainia
venimos abordado y trabajamos por continuar explotando.
The case of biodiesel
• EEUU annual consumption of transport fuel 530 millions of m3
• Estimated crops areas for different energy plants.
Crop Oil yield (l/ha) Land area needed (Million ha)
% of existing US cropping area
Corn 172 3.080 1.002
Soybean 446 1.188 652
Canola 1.190 446 244
Jatropha 1.892 280 154
Coconut 2.689 198 108
Oil palm 5.950 90 48
Microalgae 20% w/w oil in biomas 35.202 15,2 8
Microalgae 40% w/w oil in biomass
70.405 7,6 4
• Proved productivity of some microalgae 158 tm/ha/year
Why algae are so interesting
Microalga Oil content (% dry wt) Type
Botryococcus braunii 25-75 !!! Green algae
Chlorella sp. 28-32 Green algae
Cylindrotheca sp. 16-37 Diatoms
Nannochloropsis sp. 31-68 !!! Green algae
Neochloris oleabundans 35-54 Green algae
Nitzschia sp. 45-47 Diatoms
Phaeodactylum tricornutum 20-30 Diatoms
Very high oil content in some microalgae
But costs of microalgae biofuels are higher than other biofuels.
• Cost of microalgae fuels 2-20 € / liter• Cost of other biofuels 1-2 € / liter
Why these costs ?
1. Low process productivity
• Search for high productivity Microalgal strains.
• Improve photobioreactors design.
2. Expensive facilities.
• Low cost photobioreactors.
• Alternative methods of harvesting
• Alternative methods of oil extraction
3. High operating costs.
• Automation of processes
• Reduce energy costs
• Reduce the costs of CO2, water and nutrients
11-12-2012
Descifrando la “caja negra”: aplicación de técnicas de biología molecular en el ámbito de la bioenergía. El caso de la
digestión anaerobia
Generalmente en plantas industriales se mide:
- Sólidos totales y volátiles- Temperatura- Composición del biogás- A veces: pH y relación de alcalinidades
Estos parámetros no permiten saber cómo está el proceso desde un punto de vista microbiológico ni tampoco predecir fallos.
A veces se analiza ácidos grasos volátiles (AGV): este parámetro sí permite predecir fallos aunque no aporta datos sobre la microbiota.
Mejorar el conocimiento de la ecología microbiana característica de los digestores anaerobios aplicados al tratamiento de residuos orgánicos, de forma que se puedan correlacionar parámetros microscópicos con los macroscópicos del comportamiento del sistema.
Para descifrar esa “caja negra”:
• Microbiología convencional:
- Poblaciones microbianas muy diversas con condiciones de crecimiento muy diferentes- Necesidad de medios con diferentes requerimientos- Recuperación de un % muy bajo respecto a la flora total (solo la adaptada a las condiciones del laboratorio)
• Método alternativo: biología molecular
PCR-DGGE (eubacterias y arqueas): evalua la flora global
qPCR de grupos concretos (eubacterias y arqueas metanogénicas)
La metanización de residuos agroindustriales involucra la participación de bacterias y arquea de manera sinérgica, a fin de degradar la materia orgánica hasta metano mediante su hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis
Electroforesis en gel en gradiente desnaturalizante: técnica capaz de diferenciar fragmentos de amplificación de igual tamaño pero distinta secuencia.
Fases:
1. Extracción de ADN total de la muestra: sin necesidad de obtener cultivos bacterianos.
2. PCR de un fragmento variable en secuencia entre especies, géneros, familias,…
3. Detección mediante electroforesis en gel de poliacrilamida con gradiente desnaturalizante
PCR-DGGE
Materia orgánica
PCR-DGGE
• Digestores anaerobios con un volumen total de 36 litros y un volumen útil de 30 litros. • Dotados de agitación y se alimentan en régimen semi-continuo (una vez al día). • Operan a 38ºC• Disposición de medición del biogás (volumen y composición). Disponen de una válvula para la extracción de digerido
D2 se alimenta con estiércol de vacunoD6 se alimenta con una mezcla de subproductos pesqueros, lodos y residuos hortofrutícolas.
Subproyecto 14: INTERRELACIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS Y LOS PARAMETROS DE OPERACIÓN EN DIGESTORES ANAEROBIOS
PCR-DGGE
MW D2 D2 D2 D6 D6 D6 C- C+ MW D2 D2 D2 D6 D6 D6 C- C+
arqueas eubacterias
¿Qué ocurre si hacemos una PCR sin gradiente en gel de agarosa?
No hay distinción entre especies bacterianas dentro y entre muestras
PCR-DGGE
MW D2 D2 D2 D6 D6 D6 MW MW D2 D2 D2 D6 D6 D6
arqueaseubacterias
PCR-DGGE
Pocillo ID Descripción
1 Ladder 100 pb
2 GC1 Puesta en marcha
3 GC2 Velocidad de carga orgánica mayor
4 GC3 Primera adición de grasa
5 GC4 Final del primer período de adición
6 GC5 Segunda adición de grasa
7 GC6 Final del segundo periodo de adición
8 GC7 Tercera adición de grasa
9 GC8 Mezcla de fangos activos
10 GC9 Mezcla de fangos activos 11 GC10 Grasa
12 Ladder 100 pb
PCR-DGGE
Análisis de la microflora completa e identificación de especies:
PCR-DGGE
Equipamiento:
PCR cuantitativa
PCR tiempo real para arqueas metanogénicas: cuantificar la evolución de genes funcionales como la metil coenzima reductasa A (mcrA).
1. Extracción del ADN total2. PCR específica para arqueas3. Detección mediante uso de reactivos fluorescentes
Técnicas moleculares
Aplicaciones en ecología microbiana:
Estudiar la complejidad de microorganismos ambientales en una comunidad compleja (16S ADNr): DGGE
Analizar la distribución espacial y temporal de poblaciones bacterianas (monitorizar en el tiempo): DGGE
Analizar como varía la composición de las poblaciones frente a la adición de diferentes compuestos: DGGE
Buscar microorganismos “indicadores” y específicos de nuestro proceso (arqueas metanogénicas): qPCR.
Técnicas moleculares
• Conocimiento más amplio de los procesos de inhibición de la biomasa anaerobia, permitiendo seleccionar y determinar los grupos más robustos a dichas inhibiciones.
• Selección de las biomasas anaerobias en función del sustrato utilizado para la alimentación del digestor anaerobio.
• Mayor control del proceso y optimización en la producción de biogás a partir de biomasas anaerobias más adecuadas
2. Mejor conocimiento de las dinámicas de las poblaciones microbianas implicadas para:
1.Mejorar el conocimiento consorcio microbiano involucrado en elproceso de la digestión anaerobia
Beneficios:
Muchas gracias
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