Producción de biodiesel a partir de Scenedesmus spp.
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ESCUELA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL Producción de Biodiesel a partir de microalga Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 en Fotobiorreactor Tanque Agitado. TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO AGROINDUSTRIAL AUTOR Justiniano Ruiz, César Alejandro ASESOR Dr. Gonzalez Cabeza, José Guillermo ASESOR METODOLÓGICO: Ing. Ms. Sc Barraza Jáuregui, Gabriela del Carmen. TRUJILLO - PERÚ 2012
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ESCUELA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
Producción de Biodiesel a partir de microalga Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 en Fotobiorreactor Tanque
Agitado.
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
AGROINDUSTRIAL
AUTOR
Justiniano Ruiz, César Alejandro
ASESOR
Dr. Gonzalez Cabeza, José Guillermo
ASESOR METODOLÓGICO:
Ing. Ms. Sc Barraza Jáuregui, Gabriela del Carmen.
TRUJILLO - PERÚ
2012
1
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGA Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008. EN FOTOBIORREACTOR TANQUE AGITADO.
JURADO EVALUADOR
TRUJILLO – PERÚ
2012
Blgo. Elio Avila Vereau
Presidente
Ing. Maria Elena León Marrou
Secretario
Blgo. José Gonzalez Cabeza
Vocal
i
2
DEDICATORIA
A mi madre, porque cada vez
que toco fondo puedo ver su mano y asirme en ella.
ii
3
AGRADECIMIENTOS
A mi Padre, por su prudencia, paciencia y cariño.
A mis hermanos, Eduardo y Mayra.
A mis hermosos sobrinos, por su aura angelical que me remecen de cariño y
ternura.
Al Dr. José Guillermo González Cabeza, por creer en esta aventura científica y
diseminar todos sus conocimientos en mí.
Al laboratorio de Microbiología y Biotecnología de la Facultad de Ciencias de la
Salud de la Universidad Privada Antenor Orrego (UPAO), por darme las
facilidades del caso y así demostrar que con confianza e integración de todas las
casas de estudios se pueden lograr grandes cosas.
Instituto del mar del Perú (IMARPE), en especial a la Ing. Cecil Tenorio, por confiar
en mí una cepa de preciado valor y entregarme su amistad e irradiar siempre una
sonrisa a flor de piel.
A Gerson Díaz Aponte, por mostrarme esa mano amiga que necesitaba en los
momentos de frustración.
Y a toda esa gente que estuvo alrededor ………………………..
César Alejandro Justiniano Ruiz.
iii
4
PRESENTACION
Señores Miembros del Jurado:
Siendo uno de los requisitos indispensables la presentación de una tesis para
obtener el título Profesional de Ingeniero Agroindustrial y cumpliendo además con
las normas legales de nuestra Universidad Cesar Vallejo y dejo a vuestra
consideración el presente trabajo de tesis:
Producción de Biodiesel a partir de microalga Scenedesmus acuminatum
IMP-LBA-008 en Fotobiorreactor Tanque Agitado.
El Presente trabajo de investigación se basó en la línea de investigación de
biotecnología, trabajando con microorganismos de nuestras aguas continentales,
con el fin de desarrollar nuevas tecnologías para sustituir los combustibles fósiles
y así preservar el medio ambiente.
El Autor.
iv
5
INDICE GENERAL
DEDICATORIA .................................................................................................................................. ii
AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................................... iii
PRESENTACION ............................................................................................................................. iv
RESÚMEN ......................................................................................................................................... 9
ABSTRACT ..................................................................................................................................... 10
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 11
1.1. PROBLEMA DE INVESTIGACION ............................................................................ 12
1.1.1. Realidad problemática. .......................................................................................... 12
1.1.2. Formulación del problema ..................................................................................... 13
1.1.3. Justificación del problema ..................................................................................... 13
1.1.4. Antecedentes del problema .................................................................................. 15
1.1.5. OBJETIVOS ............................................................................................................ 20
1.2. MARCO REFERENCIAL. .............................................................................................. 20
1.2.1. Marco Teórico ........................................................................................................ 20
2. METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 35
2.1. Hipótesis .......................................................................................................................... 35
2.2. Metodología ..................................................................................................................... 35
2.2.1. Tipo de estudio ....................................................................................................... 35
2.2.2. Diseño ...................................................................................................................... 35
2.3. Población y muestra ...................................................................................................... 35
2.3.1. Método de Investigación ........................................................................................... 36
2.4. Técnicas y recolección de datos. ................................................................................. 40
2.4.1. Análisis de microscopia del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008. ....... 40
2.4.2. Determinación del peso húmedo total. ............................................................... 40
2.5. Métodos de análisis de datos para el biodiesel de Scenedesmus acuminatum
IMP-LBA-008 ............................................................................................................................... 41
2.5.1. Desviación estándar (DS) ..................................................................................... 41
2.5.2. Coeficiente de variación (CV) ............................................................................... 41
3. RESULTADOS ........................................................................................................................ 42
6
3.1. Conteo de microorganismos en los diferentes fotobiorreactores tanques agitados
y pH utilizado mediante la etapa de cultivo microalgal......................................................... 42
3.2. Observaciones microscópicas del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008. .... 43
3.3. Peso húmedo y rendimientos del cultivo microalgal en el proceso de cosecha y
secado para la obtención de biodiesel. ................................................................................... 45
3.4. Rendimientos del aceite del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 en la
obtención de biodiesel. .............................................................................................................. 45
4. DISCUSIÓN. ........................................................................................................................... 46
5. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 49
6. SUGERENCIAS ...................................................................................................................... 50
7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................... 51
8. ANEXOS. ................................................................................................................................. 59
7
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. Rendimiento de materia prima para biodiesel por hectárea
(litro/hectárea) ....................................................................................................... 25
FIGURA 2. Diagrama de flujo para la obtención de aceite de Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 .................................................................................... 38
FIGURA 3. Diagrama de flujo para la obtención de biodiesel de Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008. ................................................................................... 39
FIGURA 4 . Fotobiorreactores tanques agitados y sus respectivos conteos finales
de UFC/mL a los 22 días. ..................................................................................... 43
FIGURA 5 Observación microscópica del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-
008 a los 8 días. ................................................................................................... 43
FIGURA 6 Observación microscópica del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-
008 a los 16 días. ................................................................................................. 44
FIGURA 7 Observación microscópica del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-
008 a los 21 días. ................................................................................................. 44
8
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Propiedades de los principales grupos de algas .................................. 22
Cuadro 2. Comparación del diesel y biodiesel ...................................................... 26
Cuadro 3. Comparación los métodos de producción de fotobiorreactores y
estanques abiertos ................................................................................................ 29
Cuadro 4. Contenido lipídico de algunas microalgas en condiciones autotróficas
................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
Cuadro 5. Contenido de Volumen en fotobiorreactores tanques agitados ............ 36
Cuadro 6. Composición química del Nitrofoska verde (g/L). ................................ 37
Cuadro 7. Conteo final en cámara Neubauer (22 días del cultivo de Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008), promedio, desviación estándar y coeficiente de
variabilidad. ........................................................................................................... 42
9
RESÚMEN
El objetivo del presente estudio fue producir biodiesel a partir de la microalga
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, empleando fotobiorreactores tanques
agitados durante 22 días de incubación. El medio de cultivo empleado fue
soluciones de Nitrofoska Verde Foliar® al 1%, manteniéndose los sistemas de
fotobiorreactores cerrados. Se obtuvo un rendimiento de 53% de biodiesel, donde
los parámetros más adecuados en la metodología de cultivo para obtener
biodiesel a partir de la microalga Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 en
fotobiorreactor tanque agitado fueron: Agua potable (76 L), fotoperiodo 12 Hs: 12
Hs (Luz y oscuridad), aireación de 2000 mL/min, pH 7 y temperaturas oscilantes
de 22 a 26 ºC.
10
ABSTRACT
The aim of this study was to produce biodiesel from microalgae Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008, using photobioreactors stirred tanks for 22 days of
incubation. The culture medium used was Foliar solutions Green Nitrophoska ®
1%, remaining closed photobioreactor systems. A yield of 53% biodiesel, where
the most suitable parameters in the culture methodology for biodiesel from
microalgae Scenedesmus acuminatum-LBA-008 IMP in stirred tank
photobioreactor were: Drinking water (76 L), photoperiod 12 hs: 12 hs (Light and
Darkness), aeration of 2000 mL / min, pH 7 and temperatures oscillating between
22 and 26 º C.
11
1. INTRODUCCIÓN
El uso continuo de los combustibles fósiles por parte de la humanidad es
insostenible, ya que son recursos limitados de energía y su combustión conducen
a la generación de las emisiones relacionadas con la energía de gases de efecto
invernadero (GEI) como el dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, metano,
dióxido de azufre y compuestos orgánicos volátiles. Durante las últimas décadas,
las concentraciones globales atmosféricas de gases de efecto invernadero han
aumentado con frecuencia. Así, la concentración creciente de se considera
que es una de las principales causas del calentamiento global. La combustión de
combustibles fósiles es responsable de 73 % de la producción de , dado que la
preocupación por el calentamiento global y la dependencia de los combustibles
fósiles crece, la búsqueda de fuentes de energía renovables que reduzcan las
emisiones , se convierte en una cuestión de atención generalizada (Chisti,
2007).
El uso de la biotecnología, tiene como objetivo desarrollar métodos para la
producción de nuevos productos procedentes de organismos, los cuales son
productos que podrían contribuir a la humana asistencia sanitaria (por ejemplo,
compuestos bioactivos que se pueden usar para nuevas medicinas), en la
industria alimentaria y de los piensos (por ejemplo, antioxidantes) y para la
industria de la energía, con aplicaciones como nuevos biocombustibles. El
potencial de los océanos para este tipo de productos es enorme, pero hasta la
fecha las aplicaciones no han estado a la altura de las expectativas (Wijjfells,
2008). El desafío actual consiste en producir estos productos en cantidad y calidad
suficientes y en forma sostenible para evitar la sobreexplotación de los
combustibles fósiles y así desarrollar en nuestro país medidas preventivas ante la
12
escases del crudo de petróleo, mediante nuevas técnicas de obtención de
combustibles renovables.
1.1. PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1.1. Realidad problemática.
En este siglo la humanidad afronta una grave problemática, debido al aumento de
la demanda energética mundial, agotamiento de los combustibles fósiles,
incremento del precio del petróleo y las dificultades ambientales causadas por los
gases de invernadero, tales como la contaminación local del aire y el
calentamiento global. El precio del petróleo en los mercados internacionales desde
principios del nuevo milenio viene mostrando una tendencia creciente, que lo llevó
a sobre pasar ampliamente la barrera de los 100 $ por barril en los meses
centrales de 2008. De esta forma, el precio del petróleo en términos reales (es
decir, expresado en la moneda de cada país y descontado el nivel general de
precios) llegó a superar los máximos históricos alcanzados en la primera mitad de
los años ochenta en la mayoría de los países importadores (Estrada, Noguera y
López., 2009).
En el Perú, la matriz energética en el año 2005, estaba compuesta
fundamentalmente por un 38.8 % de petróleo y 14.5 % de gas. La balanza
comercial del petróleo en el Perú, desde hace 30 años es negativa, siendo
Ecuador, Colombia y Venezuela los principales abastecedores. El Perú tiene uno
de los combustibles más caros de la región, debido fundamentalmente a su
política tributaria (60 % ISC e IGV), variaciones para contrarrestar las constantes
de precios del petróleo, el gobierno ha creado en el año 1992 el Fondo de
Estabilización de Precios (FEP) para los combustibles, cuando se agota este
fondo los precios del petróleo suben. Este precio alto de los combustibles resta
13
productividad y competitividad a las empresas peruanas (Rojas, Salas y Rojas.,
2006).
La situación actual debida al agotamiento de los combustibles fósiles, incremento
del precio del petróleo y dificultades ambientales, demanda urgentemente fuentes
alternas de energía siendo una opción promisoria el biodiesel; biocombustible
producido primordialmente a partir de aceites provenientes de plantas
oleaginosas, cuya disponibilidad desafortunadamente, es incapaz de sustituir el
mercado de petrodiesel en el mundo. El uso de microalgas para la producción de
biodiesel es una alternativa ventajosa debido al elevado contenido de lípidos y
perfil idóneo para la obtención del biocombustible que éstas ofrecen.
Análogamente a lo anterior, otros atributos de las microalgas son su elevada
eficiencia fotosintética, su capacidad de crecer tanto en aguas marinas, dulces,
residuales y salobres, así como su velocidad de crecimiento relativamente alta
(Garibay et al., 2009).
1.1.2. Formulación del problema
¿Será posible producir biodiesel a partir de microalga Scenedesmus acuminatum
IMP-LBA-008 en fotobiorreactor tanque agitado?
1.1.3. Justificación del problema
Los aceites vegetales son la principal materia prima para la producción de
biodiesel, razón por la cual el uso de cultivos de alto contenido oleaginoso ha sido
estudiado exhaustivamente. Los principales materiales oleaginosos utilizados
derivan de la palma, colza y soya, además del girasol, coco, cacahuate, oliva,
mostaza, entre otros (Hanna y Frangui, 1999).
El mercado creciente de producción de biodiesel a partir de aceites vegetales
comestibles, requeriría del uso de enormes extensiones de terreno fértil, situación
14
que podría conllevar a crisis alimentarias ante la escasez de suelos cultivables. En
el caso particular del sureste asiático y Brasil, el considerable incremento en su
tasa de producción de biodiesel a partir de palma y soya, ha ocasionado
problemas ambientales inherentes a la deforestación de regiones tropicales
(Dismukes, et al. 2008).
En consecuencia se ha planteado el uso de aceites no comestibles procedentes
de cultivos marginales tales como Jatropha curcas (piñón), Calophyllu inophyllum
(tamanu), Pongamia pinnata (Karanja), Madhuca indica, Swidawils oniana, Ricinus
communis (higuerilla) y Vernicia fordii (tung). Estos cultivos marginales no
necesitan de terrenos fértiles, ya que proliferan en suelos áridos, pobres en
nutrientes, con altos niveles de radiación y baja precipitación pluvial (Fairless,
2007). El elevado costo de la materia prima, que contribuye del 50 al 90 % del
precio de producción del biodiesel, ha obstaculizado la comercialización del
biocombustible, motivo por el que se ha propuesto el uso de aceites de desecho y
de grasas animales, alternativa que no ha sido satisfactoria a causa de los gastos
adicionales necesarios para el refinamiento y la transesterificación de la materia
(Al-Zuhair, 2007).
A nivel mundial varias compañías están actualmente produciendo biocarburantes
a partir de algas, como lo son GreenFuel Technologies o Algaebiofuels en EEUU,
BFS en España, BiokingAlgae en Holanda y Aquaflowen en Nueva Zelanda, sin
embargo, la producción de estas plantas es muy pequeña y no son de mucha
ayuda en la cobertura de déficit de producción de biodiesel que existe y que se
prevé seguirá existiendo en los años venideros. La demanda mundial de biodiesel
en este año será de más de 12 millones de toneladas, mientras que la producción
de biodiesel se estima que será de aproximadamente 8 millones de toneladas, una
diferencia bastante amplia que necesita pronta cobertura (Estrada, Noguera y
López, 2010).
En el Perú se implementó la LEY N° 28054 “LEY DE PROMOCIÓN DEL
MERCADO DE BIOCOMBUSTIBLES” donde se establece: El marco general para
15
promover el desarrollo del mercado de los biocombustibles sobre la base de la
libre competencia y el libre acceso a la actividad económica, con el objetivo de
diversificar el mercado de combustibles, fomentar el desarrollo agropecuario y
agroindustrial, generar empleo, disminuir la contaminación ambiental y ofrecer un
mercado alternativo en la Lucha contra las Drogas (MINAM, 2005).
Es de allí la necesidad de investigar y desarrollar nuevas fuentes de energía
renovables; dentro de ellas, la producción de biodiesel a partir de microalga
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 en fotobiorreactor tanque agitado se
inicia para idear planes estratégicos de biodiesel en el Perú, por ende desarrollar
conforme a ley nuevas tecnologías para el desarrollo de energías renovables en
nuestro país, ante la futura escases de los hidrocarburos a nivel mundial.
1.1.4. Antecedentes del problema
Brenan y Owende (2009) evaluaron las tecnologías que aportan las microalgas a
los sistemas de biocombustibles, centrándose en la producción de biomasa, la
cosecha, las tecnologías de conversión, y la extracción de los co-productos útiles,
también se examinó el acoplamiento sinérgico de la propagación de microalgas
por secuestro de carbono y el potencial de tratamiento de aguas residuales, para
la mitigación de los impactos ambientales asociados con la conversión de la
energía y la utilización. Se encontró que, mientras que hay cuestiones pendientes
relacionadas con la eficiencia fotosintética y la producción de biomasa, los
biocombustibles derivados de microalgas, podría sustituir progresivamente una
proporción significativa de los combustibles fósiles necesarios para satisfacer la
creciente demanda energética.
Hossain (2009) determinó la transesterificación adecuada, la cantidad y las
propiedades físicas del biodiesel, donde se utilizaron especies cómo Oedegonium
y Spirogyra comparando la cantidad de sus aceites y la posterior producción de
biodiesel, siendo la especie Oedegonium la que presenta mayor efectividad en la
obtención de biodiesel. Sin embargo, la biomasa fue mayor en Spirogyra que en
16
Oedegonium. Los sedimentos (glicerina y pigmentos) fue mayor en Spirogyra y no
hubo una diferencia de pH entre Spirogyra y Oedogonium. Estos resultados
indican que el biodiesel puede ser producido a partir de ambas especies y que
Oedogonium es más productiva que Spirogyra.
Rodolfi et al., (2009) evaluaron treinta cepas de microalgas para determinar su
productividad de biomasa y su contenido lipídico, 4 cepas fueron seleccionadas
(dos marinas y dos de agua dulce), ya que son altamente productivas y con un
contenido de lípidico relativamente alto. Bajo privación de nitrógeno en las
microalgas marinas cómo Nannochloropsis eustigmatophyte sp alcanzo un 60%
en contenido de lípidos y se cultivó en un fotobiorreactor de panel plano alveolar
para estudiar la influencia de la radiación y de nutrientes (nitrógeno y fósforo). La
productividad de lípidos aumentó en 117 mg/ L por día en nutrientes eficientes
(con una productividad de la biomasa media de 0,36g/ L por día y 32 % de
lípidos) a 204 mg/ L por día (con una productividad de la biomasa media de 0,30
g/L por día y más del 60 % el contenido de lípidos final) en los medios privados de
nitrógeno. En un proceso de cultivo de dos fases (una fase de nutrientes para
producir el inóculo seguido por una fase de nitrógeno privado para impulsar
la síntesis de lípidos), lo que podría ser el potencial de producción de
petróleo previendo que sea más de 90 kg por hectárea y por día. Este es el primer
reporte de un aumento del contenido en lípidos y la productividad de los
lípidos que el área logra a través de la privación de nutrientes en un cultivo de
algas al aire libre. Se demostró que Nannochloropsis eustigmatophyte sp., tiene el
potencial para una producción anual de 20 toneladas por hectárea.
Abou-Shanab et al., (2010) estudiaron un total de 45 cultivos de algas que se
aislaron de un lago de agua dulce en Wonju, Corea del Sur. Cinco cepas de
microalgas fueron seleccionados en base a su morfología. Se cultivaron cepas de
Scenedesmus obliquo YSL02, Chlamydomonas pitschmannii YSL03, Chlorella
vulgaris YSL04 y Chlamydomonas mexicana YSL0. Se analizaron la concentración
de biomasa en Scenedesmus obliquo YSL02 (1.84 ± 0.30 g/ ) con un contenido
de lípidos inferior (29 % w / w), Los resultados sugieren que Chlorella Pitsh. es
17
apropiada para la producción de biodiesel en base a su alto contenido en lípidos y
la proporción de ácido oleico.
Ahmad et al., (2010) determinaron que las microalgas se pueden convertir
directamente en energía, como el biodiesel, promete ser una fuente de energía
renovables prometedora, en este trabajo se presenta una comparación entre el
uso de aceite de microalgas y de palma como materia prima del biodiesel. Se
encontró que las microalgas son la fuente más sostenible de biodiesel en términos
de seguridad alimentaria y el impacto ambiental en comparación con el aceite de
palma. La ineficacia y la insostenibilidad del uso de cultivos alimentarios como
fuente de biodiesel, han aumentado el interés en el desarrollo de especies de
microalgas para ser utilizados como fuente de energía renovable.
Estrada, Noguera y López (2010) desarrollaron el proceso de obtener biodiesel a
partir de microalgas en sistemas cerrados, el cual responde al establecimiento y
diseño de un proceso productivo, que además es una oportunidad sostenible en
regiones alejadas con dificultades sociales, ambientales y energéticas. Este
estudio usa la experiencia desarrollada en investigaciones previas; es importante
resaltar que se trata de un proceso innovador dentro de la cadena de
biocombustibles, a nivel Colombia, y Latinoamérica ya que orienta su estudio en
biocombustibles de segunda generación.
Hsin Ho, Wen-Ming, Jo-Shu (2010) determinaron la mayor capacidad de consumo
de y la productividad de los lípidos de la microalga Scenedesmus obliquo,
esta cepa se cultivó utilizando un medio rico en nutrientes para promover el
crecimiento celular, que fue seguido por una condición deficiente en nutrientes
para provocar la acumulación de lípidos. La productividad de los lípidos, y la tasa
de consumo de fueron 292.50 mg , 78.73 mg (38.9 % de contenido de
lípidos peso seco de la biomasa), y 549.90 mg , respectivamente. Este
rendimiento es superior a los resultados de la mayoría de los estudios realizados,
estos lípidos están compuestos principalmente por ácidos grasos C16/C18 (que
18
representan el 89 % del total de ácidos grasos), que esta adecuado para la
síntesis de biodiesel.
Loera y Olguín (2010) determinaron las ventajas que ofrece la producción de
biodiesel a partir de microalgas, tales como: a) Rendimiento de aceite mucho
mayor que cualquier cultivo convencional; b) Bioenergía que presenta una huella
ecológica reducida; c) Se requiere una superficie muy pequeña para cubrir la
demanda actual de diesel de petróleo; d) Las microalgas oleaginosas pueden ser
cultivadas en agua de mar, en agua salobre o en aguas residuales, disminuyendo
así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimentos; e)
Las microalgas son excelentes captadoras de ; f) Con relación a la emisión de
gases invernadero, es de los bioenergéticos que muestran un valor negativo. Sin
embargo, la tecnología para la producción de biodiesel a partir de microalgas, aún
enfrenta grandes retos para lograr una producción a escala comercial y de manera
rentable.
Singh y Gu (2010) evaluaron el impacto que están teniendo las microalgas que
ganan interés en el escenario energético actual, debido a su rápido crecimiento
conjuntamente a los lípidos que son relativamente altos, hidratos de carbono y su
contenido de nutrientes, todas estas propiedades la hacen una excelente
fuente de biocombustibles como el biodiesel, el bioetanol y el biometano, así
como una serie de otros productos de valor farmacéutico y nutracéuticos. La
conceptualización de una biorefinería de algas, ha sido recogida y analizada para
presentarse como una evaluación económica viable, determinando costos de
operación y mantenimiento, conjuntamente con la maximización de la producción
de microalgas ricas en petróleo.
Moazami et al., (2012) evaluaron la producción de algas a gran escala utilizando la
Nannochloropsis sp. en interiores de estanques abiertos, algunos factores claves
en la productividad del estanque abierto es la uniformidad de la distribución de los
nutrientes y , Los sistemas de cultivo se evaluaron en tres estanques de
19
rodadura con una capacidad de 2000 L cada uno, midiéndose parámetros cómo
los medios de cultivo (agua de mar), iluminación (150 mol ), pH (7,5 ±
0,2), el nivel de agua (30 cm), y la temperatura (25 ºC). El resultado demostró que
un mayor contenido de biomasa y lípidos pueden obtenerse mediante la variación
de las velocidades de las paletas de las ruedas. Con el aumento de la velocidad
del radiador de 1.4 a 2.1 , la productividad de la biomasa aumento
significativamente. La cantidad de hidrocarburo varió desde 55 hasta 70 mg de
peso celular, mostrando la mejor combinación de productividad de la
biomasa y el contenido de lípidos en condiciones interiores.
Qi Lai et al, (2011) evaluaron los aceites extraídos a partir de cepas Botryococcus
braunii, Chlorella vulgaris y Chlorella pyrenoidosa. Donde el mayor porcentaje de
lípidos es producido a partir de Chlorella vulgaris (40.7 %, w/w), y Chlorella
pyrenoidosa (2.2 %, w/w). Los componentes principales de ácidos grasos del
aceite de microalgas de Chlorella pyrenoidosa incluyen ácido mirístico, ácido
palmítico, ácido esteárico, ácido oleico, ácido linoleico y ácido linolénico. La
producción de biodiesel a partir de aceite de microalgas fueron catalizadas por dos
lipasas La Penicillium expansum lipasa (ABP) y Candida antárctica lipasa B en dos
tipos de disolventes: uno que es el iónico (1-butil-3-etilmidazoliohexanofluorofos
fato) y un disolvente orgánico (terc-butanol). Los factores en el rendimiento de la
producción de aceite de estas microalgas fueron estudiadas por cuatro sistemas
de reacción: metanol/aceite relación molar, temperatura de reacción, volumen de
disolvente y el contenido de agua; estos estudios bajo condiciones óptimas
permiten a las enzimas tener un rendimiento significativamente más alto en líquido
iónico (90.7 % y 86.2 %) con respecto a la obtenida con el terc-butanol (48.6 % y
44.4 %). Estos resultados demuestran que los líquidos iónicos ofrecen un nuevo
tipo de disolvente en la mejora de la producción enzimática de biodiesel a partir de
microalgas.
20
1.1.5. OBJETIVOS
1.1.5.1. OBJETIVO GENERAL
Producir biodiesel a partir de microalga Scenedesmus acuminatum IMP-
LBA-008 en fotobiorreactor tanque agitado.
1.1.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar el rendimiento de biodiesel que produjo la microalga Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 en fotobiorreactor tanque agitado.
Establecer los parámetros más adecuados en la metodología de cultivo
para obtener biodiesel a partir de la microalga Scenedesmus acuminatum
IMP-LBA-008. en fotobiorreactor tanque agitado.
1.2. MARCO REFERENCIAL.
1.2.1. Marco Teórico
1.2.1.1. Algas.
Las algas son organismos generalmente de organización sencilla, con diversos
niveles de construcción morfológica y reproductora por lo común con pigmentos
fotosintéticos, de vida acuática o terrestre, microscópicos y macroscópicos. El
21
término “alga”, denominación que se dio inicialmente a estos grupos, por el hecho
de poseer algunos caracteres comunes, cómo es el medio de vida y en cierto
modo su aspecto externo, tal excepción en nada se relaciona con los caracteres
genéticos y fotosintéticos de las diferentes taxas (Fernández, 1982).
1.2.1.1.1. Generalidades de las algas.
Las algas son o bien unicelulares o coloniales; las últimas forman agregados,
mientras que sí la células están agregadas extremo con extremo se dicen que son
filamentosas. Entre las formas filamentosas aparecen filamentos sin ramificación y
filamentos con una intricada ramificación. Contienen clorofila y, por ello son de
color verde. Sin embargo, algunas aparecen de color marrón o rojo debido a la
presencia de xantofilas que enmascaran el color verde. Las algas contienen uno o
más cloroplastos que, como se saben, encierran los pigmentos fotosintéticos. A
menudo, los cloroplastos pueden ser reconocidos con ayuda del microscopio
dentro del citoplasma, precisamente por poseer color verde. Aunque las algas
verdes y en menor medida las rojas están bastante relacionadas con las plantas
verdes. Otros grupos como es el de las diatomeas o las pardas constituyen linajes
antiguos dentro de las algas. Las Euglenas están incluso menos derivadas y,
como se ha indicado antes, están relacionadas con los protozoos flagelados
(Madigan, Martinko y Parker, 2007).
1.2.1.1.2. Microalgas
Las microalgas son organismos fotosintéticos que contienen clorofila y pigmentos
carotenoides, lo que las hace pioneras en la producción primaria de la cadena
alimenticia acuática. Sostienen las pesquerías marinas y en agua dulce, son
importantes en la acuicultura como alimento para larvas, en la biotecnología y
biomedicina, como complemento alimenticio para humanos, uso como
biofertilizantes, biorremedación y biocombustibles (Borowitzka et. al 2005).
22
1.2.1.1.3. Importancia de las algas.
El significado económico directo o indirecto de las algas verdes, tiene igual
paralelo con la diversidad de este grupo taxonómico. Así en primer lugar y gracias
Grupo Nombre Morfología Pigmentos Representante
típico
Material de
reserva
Pared
celular Habitad
Chlorophyta Algas
verdes
Unicelulares
con
ramificaciones
Clorofilas a
y b
Chlamydomonas
Almidon(α-
1,4-glucano),
sacarosa
Celulosa
Agua dulce,
suelos
Euglenophyt
a
Euglenoide
s
Unicelular
flagelados
Clorofilas a
y b Euglena
Paramilon(β-
1,2-glucano) No Agua dulce
Dinoflagellat
a
Dinoflagela
dos
Unicelular
flagelados
Clorofilas a
y c Gonyaulax
Almidón( α-
1,4-glucano) Celulosa Marinas
Chrysophyta
Diatomeas,
Algas
pardas
Unicelular Clorofilas a
y c
Pfiesteria
Nitzchia
Lípidos
Dos
componenet
essuper
compuestos
de sílice
Agua
dulce,marinas,
suelos
Phaerophyta Algas
pardas
Filamentosas
con
ramificaciones
grandes y
parecidas a las
plantas
Clorofilas a
y c,
xantofilas
Laminaria
Laminaria (
β-1,3-
glucano)
matrinol
Celulosa
Marinas
Rhodophyta Algas rojas
Unicelular,
filamentosas
con
ramificaciones
Clorofilas a
y d,
fiocianina,
ficoeritrina.
Polysiphonia
Florideanstar
ch( α-1,4-y
α-1,6-
glucano)
Celulosa
Marinas
Cuadro 1. Propiedades de los principales grupos de algas
23
a su fácil cultivo en el laboratorio especies de Chlamydomonas y Chlorella han
sido elegidas como organismos experimentales para investigaciones sobre
aspectos estrictamente biológicos como la estructura de la pared celular, de los
flagelos, cloroplastos, núcleo y otras inclusiones, así como aspectos fisiológicos
del proceso fotosintético y la reproducción (Acleto y Zuñiga, 1998).
Las microalgas crecen de manera espontánea en ambientes acuáticos y húmedos.
Sin embargo pese a su abundancia en la naturaleza, para la producción de
biocombustibles en masa se lleva acabo su cultivo controlado estas plantas en
tierra firme. Diversas son las causas que llevan a ello: Por un lado se asegura la
obtención de la variedad de microalgas adecuada en función de la utilidad que se
quiera obtener de ella. Se estima que existen más de 300 000 especies de algas,
pero pocas de ellas poseen las características necesarias para hacer viable la
producción de biocombustibles con fines comerciales. Por otro lado el cultivo
asegura la producción del volumen de microalgas necesario controlando aspectos
como la extensión del cultivo y su rendimiento. Optimizando las necesidades
vitales de las microalgas es posible obtener una reproducción mucho más rápida
de lo que se obtendría en estado natural (Barraza et al., 2009).También se
consideran como alimentos funcionales, capaces no sólo de elevar el contenido
nutricional de los alimentos tradicionales, sino también de afectar positivamente la
salud de animales y humanos. Poseen cantidades apreciables de carbohidratos,
lípidos, vitaminas, minerales, ácidos grasos poliinsaturados (omega 3 y omega 6)
y antioxidantes (carotenos). Algunas tienen, incluso, un contenido amino- acídico
superior al presentado por alimentos convencionales; tal es el caso de
Scenedesmus, que posee niveles de aminoácidos esenciales superiores al patrón
de la FAO; además, niveles de proteína entre 25 y 65 % lo que la convierte en una
atractiva fuente de proteína (Quevedo et al., 2008).
1.2.1.2. Biodiesel.
Biodiesel o aceite vegetal moliester se produce de la reacción vegetal con etanol
o bioetanol ante un catalizador para producir alquil-éster y glicerina, la cual luego
24
es removida. El aceite se produce a partir de plantas oleaginosas o árboles tales
como, girasol, soya, palma, cocotero o játrofa, pero también se puede producir de
grasas animales, sebo y aceite para cocinar ya usado (Dufey, 2006).
1.2.1.2.1. Proceso de obtención del biodiesel
La materia prima para la elaboración de biodiesel es muy variada (distintos tipos
de aceites vegetales y grasas animales, aceites reciclados, etc.) haciendo que el
resultado de la reacción química correspondiente sea una multiplicidad de ésteres
de ácidos grasos distintos, en proporciones muy variables, todos de ellos
denominados biodiesel. La reacción química que mejores resultados ha
demostrado tener obtener biodiesel es la transesterificación, está consiste en la
reacción entre un triglicérido (compuesto por una molécula de glicerol esterificada
por tres moléculas de ácidos grasos), contenido en aceite vegetal o grasa animal y
un alcohol ligero (etanol o metanol), obteniéndose como productos y glicerina y
ésteres derivados de los tres ácidos grasos de partida, es decir biodiesel. En
general se suele usar metanol como alcohol de sustitución, en cuyo caso el
biodiesel estará compuesto por ésteres metílicos (IICA, 2007).
1.2.1.2.2. Producción potencial y estimada del biodiesel
La producción de biodiesel por hectárea con respecto a la canola es de 110
litros/Ha, mientras que la soya puede producir 420 Litros/ Ha. El piñón produce
1590 Litros/ Ha aproximadamente, siendo capaz de producir hasta 3 toneladas de
semillas, las que se transforman en aceites, las cuáles se convierten en aceite, las
cuáles se convierten en biodiesel, combustible cuya combinación con aceite y
alcohol puede sustituir al diesel (IICA, 2008).
25
FIGURA 1. Rendimiento de materia prima para biodiesel por hectárea (Litro/ Hectárea)
Fuente: instituto Alto Andino et al., 2004.
1.2.1.2.3. Propiedades físico-químicas
Gracias a que las propiedades del biodiesel son muy similares a las del diesel del
petróleo, los motores no necesitan ninguna modificación para poder utilizarlo
(Frames, 2002). Las emisiones de dióxido de azufre ( ) producidas por el
biodiesel son prácticamente nulas, ya que contiene una cantidad despreciable de
azufre. Las emisiones de todos los contaminantes principales (con la excepción de
los óxidos de nitrógeno), son netamente más bajas, habiéndose reportado
reducciones de hasta 90 % en los hidrocarburos no quemados, 40 % en el
monóxido de carbono (CO).Además, el biodiesel tiene propiedades lubricantes
muy importantes lo cual hace innecesaria la adición de productos que puedan
contribuir a las emisiones. El biodiesel presenta un punto de ignición
significativamente más alto que el petrodiesel, siendo su uso mucho más seguro.
El número de cétano del biodiesel tiende a ser más alto, ayudando al proceso de
arranque del motor y evitando el cascabeleo (Carlsteim, 2006).
1100
420
1590
5550
890
Canola
Soya
Piñón
Girasol
Palma aceitera
26
Cuadro 2. Comparación del diesel y biodiesel
Propiedad Unidad Diesel Norma Europea 590 Biodiesel
Propiedades estándar
Densidad (15ºC) 820 -860 875 - 900
Viscosidad (40ºC) 2.00 – 4.50 3.0 – 5.0
Punto de ignición ºC >55 >110
Contenido de azufre % (peso) <0.20 <0.01
Número de cetano >49 >49
Contenido de oxigeno % (peso) 0 10.9
Poder calorífico 35.6 32.9
Grado de eficiencia % 38.2 40.7
Fuente: Frames, 2002
1.2.1.2.4. Ventajas y desventajas del biodiesel
Ventajas
El ciclo biológico en la producción y el uso del biodiesel reduce aproximadamente
en 80 % de las emisiones de anhídrido carbónico, y casi 100 % las de dióxido de
azufre, también la combustión de biodiesel disminuye en 90 % la cantidad de
hidrocarburos totales no quemados, y entre 75 y 90 % en los hidrocarburos
aromáticos. Además, proporciona significativas reducciones en la emanación de
partículas y de monóxido de carbono, cuando se le compara con el diesel de
petróleo (Frames, 2002). Distintos estudios en EE.UU, han demostrado que el uso
27
del biodiesel reduce en 90 % los riesgos de contraer cáncer, debido a que no
contiene hidrocarburos aromáticos policíclicos (Landa, 2004).
Según WRM (Movimiento Mundial por los Bosques) para mover los coches y
autobuses europeos con biodiesel se requerirían 25.9 millones de hectáreas. A
nivel mundial, una sustitución completa del petróleo por biodiesel, implicaría que la
mayor parte de la superficie cultivable del planeta y enormes consumos de agua
potable deberían dedicarse a producir biocombustibles y no alimentos para las
personas (Llacog, 2007). La producción de biodiesel constituye una alternativa
para aquellas tierras agrícolas muertas. De esta forma, se fijaría la población en el
ámbito rural, manteniendo los niveles de trabajo y renta, y fomentando la creación
de diferentes industrias. Igualmente, mejora la relación productos primarios del
petróleo, y representa la única respuesta económicamente válida a los subsidios
del sector agropecuario en los países industriales (Gonzales, 2007).
Desventajas
Debido a su mejor capacidad solvente que el petrodiesel, los residuos existentes
son disueltos y enviados por la línea de combustible, pudiendo atascar los filtros
los ésteres son más agresivos que el gasóleo y pueden atacar al caucho y a los
tipos comunes de pinturas, para evitar el riesgo de estos ataques, es conveniente
utilizar pinturas acrílicas y sustituir las conducciones de caucho por teflón o caucho
fluorado (Aguilar, 2007).
28
1.2.1.2.5. Microalgas en la producción de biodiesel
Las microalgas con elevadas productividades lipídicas son deseables para la
elaboración de biodiesel, razón por la cual la cantidad de lípidos contenidos en la
biomasa y la velocidad de crecimiento, sumados a la eficiencia metabólica y la
robustez del microorganismo, son parámetros relevantes para su selección (Chisti,
2007). Recientemente, el potencial de las microalgas para la producción de
biodiesel ha sido sobre estimado por diversas empresas que aseguran
productividades iguales o superiores al máximo teórico posible (Wijffels, 2008).
1.2.1.2.6. Producción de microalgas.
La producción de biodiesel a partir de microalgas es un proceso conformado, en
términos generales, por las etapas elementales de producción de biomasa rica en
lípidos, recuperación o cosecha de la biomasa, extracción de lípidos y
transesterificación (Chisti, 2007).
La forma más simple de cultivo; se trata básicamente de piscinas descubiertas
expuestas al sol. Al agua de estas piscinas se suministra nutrientes para que las
microalgas puedan reproducirse a un ritmo acelerado; es el sistema menos
eficiente aunque el más económico. Sin embargo, a nivel industrial no resulta
rentable. Por otra parte los fotobiorreactores son conductos transparentes aislados
del exterior en los cuales se desarrollan las microalgas. Estos tubos se colocan al
exterior para captar mayor cantidad de radiación solar, en los fotobiorreactores las
microalgas no sólo reciben la radiación natural, sino que aprovechan también la
radiación artificial, esta es su gran ventaja frente a los estanques. Sin embargo,
ello supone unas instalaciones y unos costes económicos y energéticos
adicionales que son muy importantes ya que pueden ir situados también dentro
29
de invernaderos de plástico o de cristal, para así disponer de una temperatura
ambiente más elevada (Barraza et al., 2007).
1.2.1.3. Comparación entre cultivos de estanques abiertos y
fotobiorreactores.
Los métodos de producción se comparan las combinaciones óptimas de
productividad de la biomasa y la concentración que se han alcanzado realmente a
gran escala en fotobiorreactores y canales. Los fotobiorreactores ofrecer mucho
más rendimiento de aceite por hectárea en comparación con los estanques
abiertos, esto es porque la productividad volumétrica de biomasa fotobiorreactores
es más de 13 veces mayor en comparación con los estanques. Ambos métodos
de producción y la pista de rodadura fotobiorreactor son técnicamente factibles, las
instalaciones de producción con diseños, y unidades de rodadura de dimensiones
similares se han hecho han utilizado ampliamente en operaciones comerciales
(Spolaore et al, 2006).La recuperación de la biomasa de microalgas a partir del
cultivo es necesaria para extraer el aceite. La biomasa se recupera fácilmente a
partir del caldo por filtración y centrifugación, y otros medios. El costo de
recuperación de la biomasa puede ser significativo. La recuperación de biomasa a
partir de caldo de cultivo fotobiorreactor cuesta sólo una fracción del costo de
recuperación para el caldo producido en conductos eléctricos (Molina Grima et al.,
2003).
Cuadro 3. Comparación los métodos de producción de fotobiorreactores y
estanques abiertos
Variable Fotobiorreactor Estanques abiertos
Producción de biomasa anual (Kg) 100,000 100,000
Productividad volumétrica kg 1.535 0.117
Concentración de biomasa en caldo Kg 4.00 0.14
Grado de dilución 0.384 0.250
Espacio necesario 5.681 7828
30
Rendimiento de aceite 136.9 99.4
Consumo de anual (Kg) 183,333 183,333
Fuente: Chisti., 2007
1.2.1.3.1. Fotobiorreactor tanque agitado.
Usualmente, son recipientes cilíndricos cuya relación de altura a diámetro es de
uno a tres, la agitación se lleva a cabo por uno o más impulsores, los cuales
pueden ser axiales o radiales. El gas es suministrado por un difusor, sin embargo,
la dispersión del gas es función del impulsor (Shuler y Kargi, 2002). Los cambios
asociados en los diseños de los fotobiorreactor estanques agitados de acero
inoxidable se han basado en su interior, es decir, en el diseño de nuevos
impulsores, dispersores de aire, deflectores y en el control de las variables del
proceso. Sin embargo, todos se rigen sobre el mismo diseño tradicional. Además,
los requerimientos y necesidades actuales para la producción debieron moléculas
terapéuticas a gran escala y a menor costo, están forzando la innovación de
fotobiorreactores, haciéndolo un campo nuevo en el diseño ingeniería y en el
entendimiento de los fenómenos de transferencia que aquí ocurren, como a su vez
en la optimización de estos fenómenos (Trujillo y Valdez, 2009).
1.2.1.3.2. Especies de microalgas productoras de aceite.
Se han catalogado las microalgas en diversas clases productoras del aceite:
Diatomeas (Bacillariophyceae): La cual dominan el fitoplancton de los océanos.
Existen alrededor de 100 mil especies conocidas. Contiene sílice polimerizado en
sus paredes celulares. Todas sus células almacenan carbón en diversas formas.
Almacenan carbón en forma de aceites naturales o como polímeros de
carbohidratos. Alga Verde (Chlorophyceae): Son también muy abundantes,
particularmente en aguas continentales (lagos, ríos, albercas). Estas se presentan
como unicelulares o en colonias. Almacenan principalmente almidón, pero también
aceites pueden ser producidos bajo ciertas condiciones. Alga Dorada
31
(Chrysophyceae): Este grupo de algas es similar a las Diatomeas en su contenido
bioquímico y pigmentación. Existen alrededor de mil especies conocidas, y se
encuentran principalmente en sistemas de aguas continentales, produce y
almacena aceites naturales y carbohidratos (Barraza et al, 2007).
Cuadro 4. Contenido lipídico de algunas microalgas en condiciones autotróficas
Fuente: Chisti., 2007
1.2.1.4. Extracción de petróleo y producción de biodiesel a partir de
microalgas.
Las algas se secan durante 20 min a 80 ºC en un incubadora para liberar agua,
posteriormente se prepara una solución de hexano y éter (20:20 mL) donde se va
a mezclar con las algas secas para extraer el aceite. La mezcla se
mantiene durante 24 horas, la biomasa se recoge después de filtrar y ponderar. El
aceite extraído se evapora para liberar soluciones de hexano y éter, se prepara
una mezcla de catalizador y metanol: 0,25 g de NaOH con 24 mL de metanol y se
agita adecuadamente por 20 minutos, esta mezcla se vierte en el aceite de algas,
donde en el matraz que contiene la solución, se agita durante tres horas y
después de agitar la solución se mantiene durante 16 horas a temperatura
ambiente para obtener el biodiesel y las capas de sedimentos. La separación del
Especie Contenido lipídico(g lípido/g peso–peso x100)
Ankistrodesmus sp. 24.5 – 40.3
Chlorella sp. 28.0 – 32.0
Dunaliella primolecta 23.0 – 53.8
Euglena gracilis 55.0
Isochrysis sp. 7.1 – 47.0
Nitzschia sp. 22.1 – 47.0
Scenedesmus dimorphus 6.0 – 40.0
Scenedesmus obliquus 11.0 - 55.0
Tetraselmis sueica 15.0 – 23.0
32
biodiesel se da por sedimentación, posteriormente se lava en un 5 % de agua
hasta que esté completamente limpio. El biodiesel se seca y finalmente se
mantiene bajo ventilación durante 12 horas, la producción de biodiesel se mide
mediante el uso de probeta, midiendo el pH y se almacena para los análisis
posteriores (Hossain, 2008).
1.2.1.4.1. Aceptabilidad de biodiesel a partir de microalgas
Para la aceptación del usuario, el biodiesel de microalgas tendrán que cumplir con
las normas existentes, en Estados Unidos la norma en cuestión es la norma ASTM
norma del biodiesel. En la Unión Europea, los estándares separados para
biodiesel destinado al uso de vehículos (norma EN 14214) y para su uso como
combustible para calefacción (norma EN 14213) (Knothe, 2006). Los aceites de
microalgas se diferencian de la mayoría de aceites vegetales en ser muy rico en
ácidos grasos poliinsaturados con cuatro o más dobles enlaces (Belarbi, Molina y
Chisti, 2000). Algunos aceites vegetales también se enfrentan a este problema.
Por ejemplo, los aceites vegetales tales como oleico en el aceite de canola
contienen grandes cantidades de ácido linoleico (C18: 2n-6; 2-dobles enlaces) y el
ácido linolénico (C18: 3n-3; 3-dobles enlaces). Aunque estos ácidos grasos tienen
una estabilidad mucho mayor oxidativo en comparación con DHA y EPA, la norma
europea EN 14214, menciona los límites de contenido de ácido linolénico, éster
metílico de biodiesel para el uso de vehículos a 12 % (en moles). No existe tal
limitación para biodiesel destinado a ser utilizado como aceite de calefacción, pero
biodiesel aceptable debe cumplir otros criterios relativos a la medida de
insaturación total del aceite. El grado de insaturación del aceite de microalgas y su
contenido de ácidos grasos con más de 4 dobles enlaces se puede reducir
fácilmente por hidrogenación parcial catalítica del petróleo, la misma tecnología
que se utiliza comúnmente en la fabricación de margarina de aceites vegetales
(Jang, Jun y Min, 2005).
33
1.2.1.4.2. Factibilidad económica
La factibilidad de la producción de biodiesel de microalgas depende de su
competitividad con los combustibles fósiles, de manera tal que los costos de
producción resultan decisivos. La estimación de la viabilidad de esta tecnología es
posible mediante una evaluación análoga a la realizada por Chisti (2008), en la
cual se determina el máximo costo de producción de biomasa microalgal con un
contenido oleaginoso específico, que posibilitaría su competencia con los precios
actuales del petróleo. El cálculo se fundamenta en la definición de la cantidad de
biomasa que, a partir del biodiesel y biogás derivados de la misma, proporciona
una cantidad de energía equivalente a la de un barril de crudo (159 L). Acorde con
la OPEC (OPEC Annual Report, 2008), en el 2008 el costo promedio del barril de
petróleo fue de US$ 94.45. Para poder contender con este precio, el gasto en la
obtención de biomasa microalgal con un contenido lipídico del 55 %, esto debe ser
inferior a los US$ 323 ton , algunas compañías productoras de biomasa
microalgal han reportado costos de procesos de US$ 370 ton , por
ende la tecnología actual podría ser económicamente viable (Shenk et al., 2008).
1.2.2. Marco conceptual
1.2.2.1. Biodiesel.
El biodiesel es un combustible doméstico y renovable para los motores diesel.
Hecho de la agricultura co-productos y subproductos como aceite de soja, otros
aceites naturales y grasas, es un biocombustible avanzado. El biodiesel puede
usarse en cualquier mezcla con combustible diesel de petróleo (Biodiesel.org,
2010).
34
1.2.2.2. Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Es una clorofita de organización cenobial común en aguas dulces y contaminadas
por drenaje domésticos, este género se conoce desde hace más de 150 años, la
forma más comunes son cenobios de cuatro células, con o sin espinas (Azpiroz,
1984).
1.2.2.3. Fotobiorreactor tanque agitado.
Usualmente, son recipientes cilíndricos cuya relación de altura a diámetro es de
uno a tres, la agitación se lleva a cabo por uno o más impulsores, los cuales
pueden ser axiales o radiales. El gas es suministrado por un difusor, sin embargo,
la dispersión del gas es función del impulsor (Shuler y Kargi, 2002).
35
2. METODOLOGÍA
2.1. Hipótesis
Implícita.
2.2. Metodología
2.2.1. Tipo de estudio
Biotecnológico.
2.2.2. Diseño
Aplicada, descriptiva.
2.3. Población y muestra
Las cepa de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 (en estudio de tipificación),
se adquirió en los laboratorios de biotecnología acuática del Instituto del Mar del
Perú (IMARPE), la cual estuvo conformada por 10 mL. de cepa purificada, los
fotobiorreactores tanques agitados y NPK (Nitrofoska verde), las pruebas
experimentales se realizaron en el Laboratorio de Microbiología y Biotecnología{ia
de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Privada Antenor Orrego.
36
2.3.1. Método de Investigación
2.3.1.1. Descripción del proceso de preparación del medio de cultivo del
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008. en fotobiorreactor tanque agitado.
De acuerdo al método descrito por Andrade et al., (2009), para su crecimiento y
mantenimiento, los cultivos fueron iniciados con un inóculo de 100 µl de la
microalga Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, en botellas de vidrio de 500
mL de capacidad conteniendo un volumen de 200 mL de agua con 2 mL de
nitrofoska al 1% y manteniéndose bajo condiciones de iluminación (12 Hs luz: 12
Hs oscuridad), y una temperatura que osciló entre los 22 a 25 °C.
El cultivo total fue de 76 Litros que fueron cultivados en 6 tanques agitados de
diferentes capacidades de volumen que se muestran en el cuadro 5.
En el cuadro 5 se presenta el contenido de volumen en fotobiorreactores tanques
agitados.
Cuadro 5. Contenido de Volumen en fotobiorreactores tanques agitados
TANQUE VOLUMEN (L)
1 20
2 20
3 16
4 8
5 6
6 6
37
Fuente: Elaboración propia.
En el cuadro 6. Muestra la composición química del Nitrofoska verde (g/ L).
Cuadro 6 Composición química del Nitrofoska verde (g/L).
Fuente: Compoexpert, 2011.
2.3.1.2. Extracción de aceites de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 en
fotobiorreactor tanque agitado.
El cultivo microalgal se centrifugo a 2500 rpm durante 10 minutos, obteniendo una
pasta húmeda de 1.6 L, luego se procedió a extraer el aceite. Mediante la
siguiente técnica de extracción:
Componente Porcentaje
Nitrogeno total (N) 25%
Fósforo( 10%
Potasio( ) 17.5%
Magnesio (MgO) 1.6%
Azufre (S) 13%
Manganeso (Mn) 320 ppm
Hierro (Fe) 500 ppm
Cobre (Cu) 160 ppm
Boro (B) 150 ppm
Cinc (Zn) 100 ppm
Molibdeno (Mb) 10 ppm
38
Secado y triturado: La pasta húmeda (1.6 L), se secó en incubadora a 80
°C, durante 2 dias, una vez secado se procede a triturar la pasta seca con
un mortero para facilitar la extracción de aceites por parte de los reactivos.
Preparación de los reactivos: Para esta extracción de aceites usaremos
como agentes extractores el hexano y éter, en proporciones a la pasta seca
que obtuvimos que fue de 8.5 g. donde corresponde 5.6 mL de ambos
reactivos, una vez mezclado el hexano y éter se agitó a 280 rpm por 20
minutos según nuestro protocolo de referencia (Hossain, 2008).
Homogenizado: La mezcla de la solución (hexano y éter), se vierte en las
algas secas para extraer el aceite, agitándose lentamente por 5 minutos,
luego de esto se mantendrá por 24 horas a temperatura ambiente.
Filtrado y ponderación: se utilizó el papel de filtro como método de
separación del aceite microalgal y la biomasa seca, obteniendo 2.9 mL de
aceite.
Evaporado: Se somete el aceite a 30 °C por 10 minutos para liberar
soluciones de hexano y éter.
En la figura 2. Presenta el Diagrama de flujo para la obtención de aceite de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
Secado y triturado
Preparación de los reactivos
Homogenizado
Filtrado y Ponderación
39
FIGURA 2. Diagrama de flujo para la obtención de aceite de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
Fuente: Hossain, 2008.
2.3.1.3. Obtención de biodiesel a partir del aceite de Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008.en fotobiorreactor tanque agitado.
Preparación de las mezcla del catalizador y metanol: Se utilizó 0.01g de
NaOH y 6.8 mL de metanol que se mezclaron en un frasco de vidrio color
ambar, luego se agito a 300 rpm por 20 minutos.
Homogenizado: La mezcla se vierte en el aceite microalgal (2.9 mL) luego
se agita durante 3 horas a 500 rpm por 3 horas para posteriormente
almacenar a temperatura ambiente durante 16 horas para obtener el
biodiesel y las capas de sedimento.
Lavado: el biodiesel obtenido (5.2mL) se lavó con agua (5%) en un tubo de
ensayo, a centifugación por 4000 rpm durante 8 minutos, luego se procedió
a retirar el agua con la ayuda de micropipetas, dejando el biodiesel bajo
ventilación durante 12 horas.
En la figura 3. Muestra el Diagrama de flujo para la obtención de biodiesel de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Aceite de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
Evaporado
Aceite de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
Preparación de mezcla catalizador y metanol
Homogenizado
Lavado
40
FIGURA 3. Diagrama de flujo para la obtención de biodiesel de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Fuente: Hossain, 2008.
2.4. Técnicas y recolección de datos.
Se determinó la desviación estándar y coeficiente de variabilidad de la biomasa de
las microalgas (Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.), se halló el número de
microalgas por mL de cultivo, mediante cámara de Neubauer que incluye
recuentos finales a los 22 días del cultivo (Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-
008), antes de su cosecha y centrifugado. También se midió el pH del cultivo para
posteriormente tener los análisis respectivos.
2.4.1. Análisis de microscopia del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Se realizó el análisis microscópico para determinar la no presencia de diferentes
microorganismos que no sea la microalga de interés (Scenedesmus acuminatum
IMP-LBA-008.
2.4.2. Determinación del peso húmedo total.
Para la determinación del peso húmedo del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-
008 se seguirá los siguientes pasos:
Centrifugar todo el cultivo microalgal de Scenedesmus acuminatum
IMP-LBA-008.
Hallar por diferencia la biomasa final.
Biodiesel de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
41
2.5. Métodos de análisis de datos para el biodiesel de Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008
2.5.1. Desviación estándar (DS)
Es una medida de dispersión e indica cuánto pueden alejarse los valores respecto
al promedio, por lo tanto se aplica para contrastar variabilidad de los resultados
obtenidos (PRAT et al., 2004). Se estimó mediante la ecuación 1.
1
1
2
2
n
xx
S
n
i
i
(1)
Dónde: i = Dato que está entre (o, n)
= Promedio de los datos
= Numero datos
2.5.2. Coeficiente de variación (CV)
Es un indicador estadístico y muestra una mejor interpretación porcentual del
grado de variabilidad que la desviación estándar. A mayor valor de CV, mayor
heterogeneidad de los valores de la variable; y a menor CV, mayor homogeneidad
entre ellos (PRAT et al., 2004). Se estimó con la ecuación 2.
100X
SCV
(2)
Dónde: S = Desviación estándar
X = Promedio o media aritmética
42
3. RESULTADOS
3.1. Conteo de microorganismos en los diferentes fotobiorreactores
tanques agitados y pH utilizado mediante la etapa de cultivo microalgal.
En el cuadro 7. Se presenta el conteo final en cámara Neubauer (22 dias de
cultivo de Scenedesmus acuminatum IMP-lBA-008), promedio, desviación
estándar y coeficiente de variabilidad.
Cuadro 7. Conteo final en cámara Neubauer (22 días del cultivo de Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008), promedio, desviación estándar y coeficiente de
variabilidad.
Fuente: Elaboración propia.
Ftbr Cuadrantes pH suma Promedio (UFC/0.1
mm3) (UFC/mL) Promedio D. estándar
c.
variabilidad
1 8 2 5 6 6 7 27 5.4 135 89443 0.06
2 6 5 6 2 8 7 27 5.4 135
3 6 4 7 6 5 7 28 5.6 140
4 5 2 3 9 7 7 26 5.2 130
5 2 8 4 9 5 7 29 5.8 145
6 7 8 2 6 8 7 31 6.2 155
43
En la figura 4. Se muestra los fotobiorreactores tanques agitados y sus respectivos
conteos finales de UFC/mL de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA 008 a los 22
días.
FIGURA 4 . Fotobiorreactores tanques agitados y sus respectivos conteos finales de UFC/mL a los 22 días.
Fuente: elaboración propia.
3.2. Observaciones microscópicas del Scenedesmus acuminatum IMP-
LBA-008.
En la figura 5. Se muestra las observaciones microscópicas del Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 a los 8 días.
.
1.25E+06
1.30E+06
1.35E+06
1.40E+06
1.45E+06
1.50E+06
1.55E+06
1.60E+06
0 1 2 3 4 5 6 7
UFC
/ m
L
Fotobiorreactores tanques agitados
44
En la figura 6. Se muestra las observaciones microscópicas del Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 a los 16 días.
FIGURA 6. Observación microscópica del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 a los 16 días.
En la figura 7. Se muestra las observaciones microscópicas del Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 a los 21 días.
FIGURA 5. Observación microscópica del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 a los 8 días
45
FIGURA 7. Observación microscópica del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 a los 21 días.
3.3. Peso húmedo y rendimientos del cultivo microalgal en el proceso de
cosecha y secado para la obtención de biodiesel.
En 76 litros de cultivo se obtuvo 1.5 Kg de pasta microalgal, de pasta de
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, de lo cual determinamos un peso de
0.019 Kg/L.
3.4. Rendimientos del aceite del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
en la obtención de biodiesel.
El rendimiento obtenido fue de 53%.
46
4. DISCUSIÓN.
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, logró adaptarse a nuestro medio de
cultivo empleado nitrofoska al 1 %, y los parámetros: 12 Hs Luz, 12 Hs oscuridad,
flujo de aire 2000 mL/ min, pH 7, teniendo en 22 días una biomasa promedio de
UFC/mL (Cuadro 7), sin detectar algún microorganismos exógeno a esta
microalga. Anteriormente Andrade (2009) evaluó el crecimiento del Scenedesmus
sp., utilizando aguas residuales de pescado para la producción de biomasa, en
sistemas abiertos con volumen de 150 L, en este experimento se destaca la
producción de biomasa que fue UFC/ mL, lo cual demuestra que nuestro
sistema de cultivo fue superior en la producción de biomasa, debido al buen
funcionamiento de los fotobiorreactores tanques agitados por burbujeo, ya que en
condiciones cerradas y controladas genera mayor actividad de la microalga,
debido a que la aireación fue constante y fluida, para su mayor crecimiento y
adaptación. Según lo que indica Spolaore et al (2006), un sistema de
fotobiorreactores es 13 veces más productivo que un sistema raceways (sistema
abierto) que generalmente alcanza de a UFC/ mL.
Durante la etapa de cosecha del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, se tuvo
serios problemas en la etapa de centrifugación, ya que la potencia del equipo no
era la óptima para su separación de las fases (agua-pasta microalgal), esta
constituye una de las etapas más críticas dentro del proceso de recuperación del
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008. Tal como lo menciona Shenk (2008), la
factibilidad en la producción de biodiesel va a depender exclusivamente a las
tecnologías de cosecha del cultivos, ya que los costes energéticos y las pérdidas
de biomasa durante la centrifugación van a ser que el aprovechamiento decaiga
tal es el caso del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, donde a nivel de
centrifuga genera mucho más valor energético, con grandes pérdidas en 76 litros
de cultivo se recuperó el 2.1 % y es allí donde se pierde totalmente el
aprovechamiento y los costes de producción. Con respecto al secado de la pasta
47
microalgal el peso seco fue de 0.18 mg/ mL, mientras que Andrade (2009), obtuvo
resultados de 0.39 mg/ mL, lo cual indica una mejor recuperación y secado de la
biomasa microalgal, siguiendo como protocolo de cosecha sedimentación por
decantación y secado al sol durante tres días, obteniendo mejores resultados que
el presente experimento, utilizando una cosecha por centrifugación y secado por
incubadora a 80 ºC durante 52 horas. Lo cual reporta margen considerable de
error que parte principalmente de la recuperación de la biomasa.
El contenido de aceite del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 tuvo un
rendimiento cercano al 26 %, lo cual está dentro de los parámetros de contenido
lipídico según hace referencia Chisti (2007), quien indica que el género
Scenedesmus concentra lípidos que oscilan del 6 al 55 %, esto va a depender del
cultivo a utilizar, frecuentemente los contenidos de N, P, K, hace que se forme
mayor generación de lípidos. También atribuye que se generaría mayor
concentración de lípidos cuando la microalga se someta a estrés con inyecciones
de , generando una formación de más del 50 % de contenido lipídico. Innovar
en nuevas tecnologías de extracción de aceite microalgal va a ser el nuevo
desafío para este rubro, ya que la tendencia de energías renovable tiene que ser
inofensivo con el medio ambiente. En este caso se utilizó la mezcla hexano-éter
para extraer de forma química el aceite del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-
008 teniendo un rendimiento aproximado del 26 %, pero según Qi lai (2011), la
extracción de aceites con enzimas (cándida antárctica lipasa B) y líquidos iónicos
(terc-butanol)en Chlorella vulgaris y Clhorella pyrenoidosa reportaron rendimientos
del 48 % de extracción de aceite microalgal.
El rendimiento de biodiesel a partir del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
fue del 53%, durante esta etapa se complicó las fases de sedimentación en la
producción de biodiesel debido a la fuerte pigmentación verde de esta alga
Chlorophyta. Hossain (2008), reporta sus ensayos realizados en algas marinas de
especies Oedegonium y Spirogyra que según las bibliografías tienen pequeñas
cantidades de pigmentación, lo cual hace que la diferencia sea notoria en la
separación de glicerina, sedimentos y biodiesel. Este tipo de energía renovable no
48
va a contribuir impacto alguno en sus subproductos, tal es el caso de la biomasa
sedimentada en el proceso de extracción de aceites, este tipo de material puede
ser utilizado como colorante orgánico, aditivos, etc. Incluso podemos generar
mayor energía como lo es el biogás, donde esta biomasa por digestión anaerobia
producirá cantidades importantes de hidrógeno. Tal como dice Loera y Olguín
(2010), esta energía representa una huella ecológica reducida.
49
5. CONCLUSIONES
Se obtuvo 5.2 mL de biodiesel a partir de microalga Scenedesmus
acuminatum IMP-LBA-008 en fotobiorreactor tanque agitado en 76 litros de
cultivo, con un rendimiento de aceite del 26 % y de biodiesel 53 % lo que
indica un buen rendimiento en contenido lipídico de esta microalga.
Se produjó 76 litros de cultivo microalgal donde se obtuvo 2.1 % de pasta
húmeda de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, en el proceso de
secado se logró recuperar 8.5 g. que durante la extracción de aceite
microalgal el rendimiento representó un 26 % de contenido lipídico. Del cuál
se obtuvo 6.0 mL de biodiesel de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Los parámetros de crecimiento fueron idóneos para este tipo de cepa
microalgal, sus componentes del cultivo fueron: Nitrofoska al 1%, agua
potable, fotoperiodo 12:12 (Luz y oscuridad), aireación de 2000 mL/ min, pH
7 y temperaturas oscilantes de 22 a 26 ºC.
50
6. SUGERENCIAS
Caracterizar el biodiesel del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008, para
evaluar su calidad y posterior uso.
Observar el crecimiento microscópico de las microalgas a nivel celular va a
ayudar a tener una mayor especificad en la velocidad de desarrollo de esta
microalga.
Buscar nuevas alternativas de cosecha microalgal, de menor coste que la
centrifugación, cosecha por filtración o sedimentación en frío serían de
interés general.
Conservar la microalga en ceparios para investigaciones a nivel regional
sería de gran soporte para realizar investigaciones en esta línea, en todo
caso aislar microalgas de ríos o lagos para poder domesticarla y así
producir o generar aprovechamientos adecuados en la obtención de
biocombustibles.
Tecnologías más eco-sostenibles en el proceso de cultivo microalgal,
utilizar aguas residuales para poder colaborar con el medio ambiente en la
remoción de sus metales pesados y recuperar el de las plantas
pesqueras o a fines y así generar estresar a la microalga y hacer producir
más lípidos por arrastre de carbono sería una idea ambiciosa para generar
o hacer más real la propuesta de impulsar este biocombustible a nivel del
Perú.
51
7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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8. ANEXOS.
Anexo 1. Esquema de la reacción de transesterificación con metanol
Fuente: Hossain, 2008.
Anexo 2. Diseños de biorreactores tanque agitados de 1957 (A) y diseño
actual (B)
Fuente: Shuler y Kargui, 2002.
60
Anexo 3.
Ficha de entrega de cepas por parte del IMARPE.
Anexo 4.
Acondicionamiento de la cepa Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
61
Anexo 5.
Primer cultivo para la reactivación del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
A
Anexo 6.
Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 a los 20 días después de su primer cultivo
62
Anexo7.
Control de la temperatura de crecimiento del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Anexo 8.
Cultivo masivo del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
63
Anexo 9.
Proceso de centrifugación del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
Anexo 10
Equipo centrífuga.
64
Anexo 11.
Diferencia entre centrifugación del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 de 500 mL y de 100 mL
Anexo 12.
Pasta del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
65
Anexo 12
Pasta húmeda del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008 a incibación a 80°C
Anexo 13
Pasta seca del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
66
Anexo 14
Extracciòn de los aceites del Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008.
Anexo 15
Biodiesel a partir de Scenedesmus acuminatum IMP-LBA-008
