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ACCIÓN 1.3: Estudios de biofijación de CO2 y efectossobre el cultivo de microalgas.Aprovechamiento de los gases de combustión

JORNADA FINAL DE PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DEL PROYECTO ENERGREEN.

NEIKER, ARKAUTE, 27 DE MARZO DE 2014

Participante:

Acción 1.3 – Estudios de biofijación de CO2

Arkaute, 27/03/2014

1. Objetivos generales y entregables de laacción

2. Descripción de las tareas realizadas

3. Resultados obtenidos

4. Conclusiones del apartado 1.3


Arkaute, 27/03/2014

1. Valorar la integración de los gases de origenantropogénico con más peso específico en elcalentamiento global.

2. Evaluar la capacidad de biofijación de las microalgas.

3. Determinar el efecto de la alimentación de gases decombustión sobre los medios de cultivo necesarios.

1.- OBJETIVOS GENERALES


Arkaute, 27/03/2014

2.- TAREAS REALIZADAS

1.- Valorar la integración de los gases de origen antropogénico con más peso específico en el calentamiento global

• Caracterización de las emisiones de CO2 de las industrias pesadas más importantes en el entorno POCTEFA:

• Estudio de la tipología de las emisiones de cada sector

• Selección de sectores clave más importantes en la emisión de gases de origen antropogénico dentro del área POCTEFA

� Sector de la Producción de Acero, � Sector de la producción del Cemento y � Sector de la producción de energía eléctrica


Arkaute, 27/03/2014


2.- Evaluar la capacidad de biofijación de las microalgas.

� Selección de condiciones de trabajo: medios de cultivo,composición de los gases, contaminantes,

� Realización de 16 (12+4) estudios de biofijación

� Análisis de los resultados obtenidos y elaboración de conclusiones

3.- Determinar el efecto de la alimentación de gases de combustión sobre los medios de cultivo necesarios.


Arkaute, 27/03/2014

3.- RESULTADOS OBTENIDOS

� Las cementeras son plantas industriales que trabajan en continuo.La producción no cesa en todo el año durante las 24 horas del día.

� El producto obtenido es depositado en silos de gran capacidad dealmacenamiento para su transporte posterior.

Gases origen antropogénico

Sector cementero


Arkaute, 27/03/2014


Contaminante guía implementación EPER Cemento

CO •

CO2 •

NMVOC •

NOX •

SOX •

As y compuestos •

Cd y compuestos •

Cr y compuestos •

Cu y compuestos •

Hg y compuestos •

Ni y compuestos •

Pb y compuestos •

Zn y compuestos •

PCDD+PCDF (dioxinas y furanos) •

Benceno •

Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) •

Cloro y compuestos inorgánicos •

Flúor y compuestos inorgánicos •

PM10 •

Contaminantes atmosféricos emitidos en cementeras reconocidos por el PRTR (Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes):


Sector cementero


Arkaute, 27/03/2014



Sector cementero


Arkaute, 27/03/2014


mg/Nm3 kg/ton. clinker ton./año

NOx (como NO2) <200-3000 <0,4-6 400-6000

SO2 <10-3500 <0,02-7 <20-7000

Partículas 5-200 0,01-0,4 10-400

CO 500-2000 1-4 1000-4000

CO2 400-520 g/Nm3 800-1040 0,8-1,04 millones

Carbono Org. Total 5-500 0,01-1 10-1000

HF <0,4-5 <0,8-10 g/t <0,8-10

HCl <1-25 <2-50 g/t <2-50

PCDD/F <0,1-0,5 ng/Nm3 <200-1000 ng/t <0,2-1 g/año

Metales (Hg, Cd, Tl) 0,01-0,3 20-600 mg/t 20-600 kg/año

(As, Co, Ni, Se, Te) 0,001-0,1 2-200 mg/t 2-200 kg/año

(Sb, Pb, Cr, Cu, Mn, V,

Sn, Zn)0,005-0,3 10-600 mg/t 10-600 kg/año

Fuente: Documento BREF de la Industria del Cemento


Sector cementero


Arkaute, 27/03/2014


� Las emisiones van a ser continuas y en todo momento se va adisponer de un caudal gaseoso capaz de alimentar a la poblaciónde microalgas.

� Desde el punto de vista de la calidad de las emisiones, suidoneidad para el cultivo depende del combustible empleado.


Sector cementero


Arkaute, 27/03/2014


Proceso Factor de emisión

Utilización de carbón 2,43 t CO2/t carbón

Utilización de coque 2,63 t CO2/t coque

Consumo de electrodos 1,25 kg/t acero producido

Combustible empleadoFactor de emisión de SOx [kg/t acero líquido

producido]

Coque 15

Carbón 30

Factor de emisión [kg/t acero líquido producido]

Acero al

carbono/aleadoAcero inoxidable

Pb 0,014 0,0025

Hg 0,000055 0,000055

Cu 0,0008 0,0005

Ni 0,0001 0,0032

Cd 0,00025 0,00007

As 0,0001 0,000015

Cr 0,0003 0,021

Zn 0,05 0,006

Total metales 0,065 0,033


Sector siderúrgico


Arkaute, 27/03/2014


La utilización de las acerías como fuente de CO2 presentará la dificultadde la variabilidad temporal de las mismas, requiriendo la instalación deun sistema de almacenaje de CO2, así como la de la presencia departículas y metales pesados que pueden dificultar el posterior uso de labiomasa con fines alimentarios tanto en animales como en personas, loque hará necesario un cuidadoso tratamiento previo.


Sector siderúrgico


Arkaute, 27/03/2014


� La industria eléctrica se caracteriza por ser un sector con una produccióndiscontinua.

� El mercado eléctrico condiciona de forma significativa la producción de energíay los períodos de trabajo de este tipo de plantas son muy variables en cuanto alrégimen horario utilizado y a la duración de cada período.

� El valor de la energía en los ciclos nocturnos es inferior a suvalor en losperíodos diurnos y debido a este hecho gran cantidad de plantas eléctricasproducen la mayor cantidad de energía posible durante los períodos de menorcoste de la misma

� Sin embargo, la gran mayoría de plantas de producción de energía no puedensubsistir únicamente produciendo energía eléctrica solamente en los períodosnocturnos debido a que durante el día existen grandes demandas adicionales quedeben ser cubiertas.

� La demanda de energía de cada día puede variar significativamente y por lotanto la producción de la misma variará en consonancia.


Sector generación energía eléctrica


Arkaute, 27/03/2014


Evolución de la concentración de gases en la parada

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0:00:00 0:28:48 0:57:36 1:26:24 1:55:12 2:24:00

Hora

Con

cent

raci

on d

e O

2, N

Ox

y S

O2

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Con

cent

raci

on d

e C

O

% O2 ppm SO2 ppm NOx ppm CO


Sector generación energía eléctrica


Arkaute, 27/03/2014


FuelFactor de emisión de CO2

(t CO2/TJ)

Gas natural 55

Fuel oil pesado 80

Fuel oil ligero 77

Carbón 95

Lignito 110


Sector energía eléctrica


Arkaute, 27/03/2014

Batch: Es un método de cultivo de microorganismos simple en el que sólo se añadeconcentración de nutrientes al inicio de la reacción.Fed-Batch: Es un método de cultivo de microorganismos en donde los nutrientes sonadministrados de forma continua, para así, obtener control sobre el producto.


Especies estudiadas y Medios de cultivo empleados

�

� Tipos de cultivo

Chlorella Vulgarisse ha utilizado el Medio General algas dulce (MGAD)

Chlorella Sorokinianaes el medio F/2 modificado de Guillard [Guillard, 1975]

Biofijación algas


Arkaute, 27/03/2014

.Fed-Batch: Es un método de cultivo de microorganismos en donde los nutrientes sonadministrados de forma continua, para así, obtener control sobre el producto.


� Especies estudiadas y Medios de cultivo empleados

� Tipo de cultivo

Scenedesmus (estresada)

Durante el cultivo se le adiciona 1mL/L de cada uno de los 6 stocks del medio nutritivo BG11 y KNO3 al medio ya preparado, a una concentración de 0,6 g/L

Biofijación algas


Arkaute, 27/03/2014

� gases sintéticos: � CO2 (pureza 99,98%), � mezcla de 5000 ppm de NO2 en N2 y � mezcla de 5000 ppm de SO2 en N2 en una corriente de aire (pureza 99,99 %)� mezcla de gases que simula el gas de combustión de una Central Térmica (13%CO2,

8,5% O2, 78,48% N2, 100 ppm de NO2 y 80 ppm de SO2), .


� Dispositivo experimental

� Gases empleados

Planta piloto diseñada en TECNALIA que consta de:� un reactor cerrado de metacrilato de 25 L de capacidad equipado con sensores de

medición en continuo (detectores infrarrojo para el O2 y el CO2 y electroquímicopara el SO2, NO2 y NO).

� Registro y control de las variables: CO2 disuelto, O2 disuelto, temperatura, pH,conductividad del medio de cultivo, así como los gases de alimentación a la entrada ya la salida del mismo.

Biofijación algas


Arkaute, 27/03/2014


� Técnicas analíticas

El crecimiento del cultivo o concentración debiomasa se evalúa mediante la densidad ópticay/o contaje celular.La medida de la densidad óptica se realizaespectrofotométricamente a la longitud de ondade 680 nm

� Metodología para el análisis de los resultados

Para evaluar las diferencias entre los mismos se han medido diferentes parámetrospoblacionales como:• la velocidad específica de crecimiento,• el tiempo de duplicación y• la productividad de la biomasa [Schmidell y col., 2001; Vonshak y Maske, 1982].

Biofijación algas

Scenedesmus


Arkaute, 27/03/2014


Biofijación algas

Ensayo nº Tipo de algaTipo de

cultivo

Concentración de CO2

empleadoTasa de absorción de CO2

1 Chlorella Sorokiniana Batch 5% Tasa de absorción de CO2: 13%

2 Chlorella Sorokiniana Fed-Batch 5%

La velocidad específica de crecimiento de la experiencia tipo

Batch (0,036 h-1, R2= 0,963) es inferior a la Fed-Batch (0,054 h-1,

R2= 0,996). A la vista de los datos parece claro que existe una

relación entre el aporte de nutrientes en continuo y la

velocidad de proliferación de la especie en el medio

3 Chlorella Sorokiniana Fed-Batch 10% Tasa de absorción estimada de CO2: 13%

4 Chlorella Sorokiniana Fed-Batch 5%Iluminación continua 24 h/24. tasa de absorción estimada de

CO2: 13 %

5 Chlorella vulgaris Fed-Batch 5%Alimentación en continuo 50 ppm NO2. Absorción estimada Co2

: 13 % y Nox %: 57 %

6 Chlorella vulgaris Fed-Batch 5%

Alimentación en continuo 50 ppm SO2. Absorción estimada Co2

: 13 % y SOx %: 43 %

Inhibición de crecimiento

7 Chlorella vulgaris Fed-Batch 5%Alimentación en continuo 400 ppm SO2.

Muerte algal al cabo de 2 horas de alimentación del SO2

8 Chlorella vulgaris Fed-Batch 5%Alimentación en continuo 200 ppm SO2.

Muerte algal al cabo de 2 horas de alimentación del SO2

9 Chlorella vulgaris Fed-Batch 5% Tasa de absorción de CO2: 11%




13 Scenedesmus (estresada) Fed-Batch 5% Tasa de absorción de CO2: 12%



16 Scenedesmus (estresada) Fed-Batch

Mezcla gases combustión

industrial ( 13 % CO2,

8,5% O2, 78,48% N2, 100

ppm de NO2 y 80 ppm de

SO2)

Tasa de absorción de CO2: 11%


Arkaute, 27/03/2014


Biofijación algas


Arkaute, 27/03/2014


Biofijación algas

Compuesto Original 5% CO2 7% CO2 13% CO2Mezcla gases combustión

TOTAL FAMES 8,9 10,4 11,9 14,3 14,1

Resultados (referidos a biomasa seca) obtenidos en la esterificación de Scenesdesmus para las diferentes composiciones de gases ensayadas

Cuantificación por GC/MS de los ésteres (FAMES)

5%

7%

13%

Mezcla gases

0

5

10

15

Muestra

inicio

ensayo

Muestra fin

ensayo

% F

AM

Es

sob

re b

iom

asa

se

ca

5%

7%

13%

Mezcla gases


Arkaute, 27/03/2014

� [CO2] típica en un gas de combustión ≈ 10-15%, aunque posible 25-30 %.

� Estos porcentajes de CO2 no suponen inhibición en el crecimiento algal.Hay estudios que han demostrado que concentraciones más altas permitenuna mayor proliferación de las algas.

� Por bibliografía se constata que los óxidos de azufre, y especialmente elSO2, pueden influir negativamente sobre la salud y las tasas decrecimiento de las microalgas, fundamentalmente por su efecto sobre elpH.

� Los óxidos de nitrógeno pueden afectar también al pH, pero en menormedida que los óxidos de azufre. Determinados tipos de microalgaspueden tolerar concentraciones de NOx entre las 150 y las 300 ppm. Hayque tener en cuenta que el NO absorbido en el agua puede oxidarse a NO2

que será aprovechado por la algas para su metabolismo.

� La temperatura de los gases, ha de adecuarse a la hora de seleccionar la especie de microalgas que se va a emplear.

4 .- CONCLUSIONES


Arkaute, 27/03/2014

4 .- CONCLUSIONES

� Cualquiera de las fuentes consideradas en el estudio es susceptible de serempleada como alimentación de CO2 para los cultivos de microalgas.

� Factores críticos a tener en cuenta:� la variabilidad temporal (emisiones más estables en cementeras,

emisiones periódicas en acerías y ciclos de parada-arranque en eléctricasde combustión)

� Presencia de contaminantes adicionales existentes en las corrientes degases.

� Las cementeras representan una opción equilibrada en cuanto a ciclo deproducción estable y contaminantes adicionales siempre y cuando existanlas adecuadas medidas de control y atendiendo al tipo de combustibleempleado.

� La variabilidad temporal de las emisiones haría recomendable un sistema decaptura y almacenaje de CO2 en los tres casos industriales estudiados.


Arkaute, 27/03/2014

4 .- CONCLUSIONES

� Con ambas cepas estudiadas la tasa de fijación del CO2 introducido oscilaentre el 10-15%. No se aprecia mayor fijación a pesar de introducir el CO2 amayor concentración.

� Las curvas de crecimiento a concentraciones inferiores al 10% de CO2 sesolapan. (5% y 7% en Scenedesmus estresada). No hay influenciasignificativa a bajas concentraciones de CO2 sobre el metabolismo deScenedesmus.

� No se aprecia inhibición en el crecimiento de Scenedesmus por el hecho deintroducir gases reales de combustión. Parece que su metabolismo no se veafectado por la presencia de óxidos de azufre y nitrógeno en las cantidadeshabituales encontradas en las emisiones de una Central Térmica.

ACCIÓN 1.3: Estudios de biofijación de CO2 y efectossobre el cultivo de microalgas.Aprovechamiento de los gases de combustión

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