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Raul Muñoz Torre Dpto. Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente
Universidad de Valladolid
BIOCOMBUSTIBLES DE
MICROALGAS
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El potencial de la Biotecnología
Algal en Ingeniería ambiental
Biotecnología
Algal
Eliminación
de
Nutrientes
Estabilización
de DBO
Eliminación
Metales
Pesados
Biocombustibles
sostenibles
Biogas Biodiesel Etanol H2
Captura de
CO2
Test
Toxicidad
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Producción de biogás a partir de
microalgas
Poder calorífico del CH4 = 55 KJ/g
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Producción de biogás a partir de
microalgas
Rendimientos menores que para otros sustratos orgánicos
Mayor resistencia al ataque microbiano por la presencia de pared celular
Primeros estudios: C. Golueke, W. Oswald, H. Gotass. (1957) Anaerobic digestion
of algae Applied Microbiology 5(1), 47-55.
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Producción de biodiesel a partir de
microalgas
Poder calorífico del aceite = 35.8 KJ/g
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Producción de biodiesel a partir de
microalgas
Acumulación basada en crecimiento bajo limitación por nutrientes
(Toledo-cervantes y col. 2013. Bioresour. Technol)
Perfil de ácidos grasos varia
bajo limitación de nutrientes
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Producción de bioetanol a partir
de microalgas
Hongos y levaduras como Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces
fragilis,Torulaspora y Zymomonas mobilis
US 5578472 A: Process and system for the production
of ethanol from microalgae (1996) https://register.epo.org/application?number=EP94114900&tab=main
Etanol = 30 KJ/g
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Producción de bioetanol a partir
de microalgas
( Ho y col. 2013. Bioresour. Technol)
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Producción de bioetanol a partir
de microalgas
( Ho y col. 2013. Bio. Technol)
( Chen y col. 2013. Biochem Eng. Jl)
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Producción de H2 a partir de
microalgas
+ Combustible gaseoso con mayor poder calorífico (138 KJ/g)
+ No genera CO2 en su combustión
+ Alta eficacia de combustión y larga vida útil de motores
- Problemas de almacenamiento
- Alta explosividad
- Bajo rendimiento y bajas tasas de producción
PS II absorbs light and generates 2e-
Ferredoxin
Hydrogenase uses the 2e- from Fd to
generate H2 from 2H+
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Producción de H2 a partir de
microalgas Producción de H2 a tasas menores que en sistemas bacterianos de fermentación
oscura
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¿ Cómo surge el Boom por el diésel
de microalgas?
1556 citas!!
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El Boom por el diésel de
microalgas
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El Boom por el diésel de
microalgas
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El Boom por el diésel de
microalgas
En 2007 el contexto era diferente…..
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El Boom por el diésel de
microalgas
Gran número de compañías al calor de una altas expectativas !!
( Singh and Gu. 2010. Renew. Sust . Ener. Rev)
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El Boom por el diésel de
microalgas
http://www.sapphireenergy.com/ Fase 1: 40 hectareas Fase 2 120 ha
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El Boom por el diésel de
microalgas
Investigación básica
Pilotos 6 x 35 m2
Prototipos 2 x 500 m2
Demo 10 ha
Fase I
Fase II
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El Boom por el diésel de
microalgas
Cuanta microalga puede ser producida por ha/año?
Cuanto aceite puede producirse por ha/año?
Cuanto cuesta el kg biomasa y por tanto el kg aceite?
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El Boom por el diésel de
microalgas
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El Boom por el diésel de
microalgas Productividades de microalgas en México entre 160-200 Tn/
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Energía Solar (100 %)
Reflexión y Difracción en medio acuoso ( -10 %)
Energía Solar (90 %)
Radiación Fotosintéticamente Activa-PAR- ( 45 %)
Energía Solar (40.5 %)
Eficiencia Fotosintética (25 % PAR)
Energía Química (10.1 %)
Respiración ( -20 %)
Energía Química (8.1 %)
Fotoinhibición + Fotosaturación + Temperatura ( -60 %)
Energía Química (3.2 %)
4000 Kcal m-2 dia-1 (media anual) X 0.032 = 129 Kcal m-2 dia-1
129 Kcal/(5 Kcal g biomass-1) = 26 g algas / m2 / day
El Boom por el diésel de
microalgas
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El Boom por el diésel de
microalgas
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Necesidad de cumplir con estandares de Biodiesel:
Estandard EN 14214 en la Unión Europea
ASTM D 6751 en E.E.U.U
Aceite de microalgas: Alto contenido en ácidos grados poliinsaturados con 4 o más
dobles enlaces, que son más susceptibles de oxidación durante su almacenamiento.
La mayoría de los aceites no cumplirían los estándares Hidrogenación catalítica
parcial
Calidad del aceite producido
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Cuanta superficie necesitaríamos
para..
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Coste del cultivo de microalgas
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CASO DE ESTUDIO: FOTOBIORREACTORES TUBULARES (Dept IQ, UAL)
Medio de Cultivo Fotobiorreactores
Centrifugación
Liofilización
Unidad de Control
Biomasa seca
Coste del cultivo de microalgas
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Escalado para reducir costes
5,195,750.00 Total (€)
12,000.00 112,000.00 m3120.012.- Biomass storage
8,000.00 24,000.00 Kg/h20.011.- Weight station
8,000.00 42,000.00 Kg/h10.010.- CO2 supply unit
3,000.00 5600.00 m3/h3.09.- Harvest biomass pump
81,000.00 99,000.00 m3/h600.08.- Air blower
3,000.00 5600.00 m3/h3.07.- Harvest pump
3,000.00 5600.00 m33.06.- Harvest storage tank
3,000.00 5600.00 m33.05.- Medium storage tank
3,000.00 5600.00 m3/h3.04.- Medium pump
3,000.00 5600.00 m3/h3.03.- Medium filter unit
168,750.00 533,750.00 m3/h3.02.- Decanter
4,900,000.00 9850,000.00 m35.01.- Photobioreactors
Total costNo. of unitsCost €/und.CapacityDetail
5,195,750.00 Total (€)
12,000.00 112,000.00 m3120.012.- Biomass storage
8,000.00 24,000.00 Kg/h20.011.- Weight station
8,000.00 42,000.00 Kg/h10.010.- CO2 supply unit
3,000.00 5600.00 m3/h3.09.- Harvest biomass pump
81,000.00 99,000.00 m3/h600.08.- Air blower
3,000.00 5600.00 m3/h3.07.- Harvest pump
3,000.00 5600.00 m33.06.- Harvest storage tank
3,000.00 5600.00 m33.05.- Medium storage tank
3,000.00 5600.00 m3/h3.04.- Medium pump
3,000.00 5600.00 m3/h3.03.- Medium filter unit
168,750.00 533,750.00 m3/h3.02.- Decanter
4,900,000.00 9850,000.00 m35.01.- Photobioreactors
Total costNo. of unitsCost €/und.CapacityDetail
10000m2Total culture surface
490m3Total culture volume
100W/m3Power consumption
0.2v/v/minAir flow rate
0.41/dayDilution rate
162.0TM/yearBiomass production capacity
12h/dayOperation time
300day/yearOperation time
1.102g/LdayBiomass productivity
0.049m3/m2Ratio V/S
CASE STUDY
10000m2Total culture surface
490m3Total culture volume
100W/m3Power consumption
0.2v/v/minAir flow rate
0.41/dayDilution rate
162.0TM/yearBiomass production capacity
12h/dayOperation time
300day/yearOperation time
1.102g/LdayBiomass productivity
0.049m3/m2Ratio V/S
CASE STUDY
66.9%
13.0%
2.7%
17.4%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Depreciation Raw materials Utilities Labor
Photobioreactor cost, €/L 10.00 €
CO2 cost, €/kg 0.25 €
Labor 3.00
Medium cost, €/kg 0.50 €
Total production cost, €/kg 6.39 €
Coste del cultivo de microalgas
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6.4 €
4.2 €
2.9 €
2.5 €
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4
Perc
enta
ge
0 €
1 €
2 €
3 €
4 €
5 €
6 €
7 €
Pro
duction C
ost,
€/k
g
Depreciation
Raw materials
Utilities
Labor
Cost
10 €/L 5 €/L 2 €/L 1 €/L
Influence of photobioreactor cost
Análisis de Costes:
2.5 €
2.2 €2.1 €
2.0 €1.9 €
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5
Perc
enta
ge
0.0 €
0.5 €
1.0 €
1.5 €
2.0 €
2.5 €
3.0 €
Pro
duction C
ost,
€/k
g
Depreciation
Raw materials
Utilities
Labor
Cost
0.25 €/kg 0.15 €/kg 0.10 €/kg 0.05 €/kg
Influence of CO2 cost
0.00 €/kg
Coste del cultivo de microalgas
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COST ANALYSIS:
1.9 €
1.6 €
1.3 €1.2 €
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4
Perc
enta
ge
0.0 €
0.5 €
1.0 €
1.5 €
2.0 €
2.5 €
Pro
duction C
ost,
€/k
g
Depreciation
Raw materials
Utilities
Labor
Cost
3 2 1
Influence of labor
0.5
1.2 €
1.1 €
1.1 €
1.1 €
1.0 €
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 2 3 4 5
Perc
enta
ge
0.9 €
1.0 €
1.0 €
1.1 €
1.1 €
1.2 €
1.2 €
1.3 €
Pro
duction C
ost,
€/k
g
Depreciation
Raw materials
Utilities
Labor
Cost
0.5 €/m3
Influence of culture medium
0.3 €/m3 0.2 €/m3 0.1 €/m3 0.0 €/m3
Fe
rtil
ize
rs
Wa
ste
w
ate
r
Coste del cultivo de microalgas
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Después de 6 años…………
“Microalgae-based biodiesel is still expensive compared to fossil fuels”
Limitaciones a la producción comercial:
Fuente de CO2 de bajo coste cercana (centrales térmicas, cementeras)
Reciclado de nitrógeno y fosforo al cultivo de microalgas
Disponibilidad de agua para cultivo (¿en lugares con alta irradiación?)
Aplicación del concepto de biorefinería
Usar ingenieria metabolica para mejorar la acumulacion de lipidos y mejorar el
cosechado.
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(Singh and Gu. 2010. Renew. Sust . Ener. Rev)
Después de 6 años…………
(Chisti. 2008. Trends in Biotechnol)
(Kruse and Hankamer 2010. Current
Opinion in Biotechnol)
(Chen et al. 2013. Biochen Eng. J)
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(EuroOberv’ER 2011)
Gran Potencial de Aplicación en
Europa!!
Biogás a partir de microalgas
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Pocos estudios relativos al potencial de producción del
biogás de las microalgas y condiciones óptimas de
ensayos BMP
Paredes celulares fuertes Bajas productividades de CH4
Biogás a partir de microalgas
S/I optima?? [Biomasa]
Especie de Microalgas
BMP de µalga
extraida
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BIOGÁS PRE- TRATAMIENTO
MICROALGAS
Estrategia PROCESOS DE DISRUPCIÓN CELULAR
Mejorar la hidrolisis:
Solubilización de la materia
orgánica para hacer la microalga
mas biodegradable
Mejora de la digestión anaerobia de microalgas
Generación de
Electricidad
Pre-tratamientos de microalgas
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Pre-
tratamientos
Químicos
Biológicos
Físicos
Hidrólisis ácida o Alcalina Ozonation
Homogenizadores de alta presión Molienda por impacto Molinos de bolas Ultrasonidos Centrifuga Lysat Irradiación Gamma
Térmico
Hidrólisis Térmica
Pretratamientos enzimáticos
Cuál es el pretratamiento de microalgas más
efectivo?
Biogás a partir de microalgas
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Microalga A: Clamydomonas (40%), Scenedesmus (20%), Nannocloropsis (40 %)
Microalga B: Acutodesmus (58%), Oocystis (36%), Nitzchia (5%)
Microalga C: Microspora
3 microalgas diferentes:
Inóculo de digestores anaerobios de lodo:
Biogás a partir de microalgas
Alzate et al. (2012) Bioresour Technol.
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Hidrólisis
Térmica (15’)
T1= 110 ºC (1.2 bar)
T2=140 ºC (3.2 bar)
T3= 170 ºC (6.4 bar)
Ultrasonidos
U1:10.000 KJ kgTS-1
U2:27.000 KJ kgTS-1
U3:40.000 Kj kgTS-1
U4:57.000 Kj kgTS-1
Biológico
500 mL in 2 L Bottles
B1= 12 h
B2= 24h
Biogás a partir de microalgas
PRE-TRATAMIENTOS DE BIOMASA ALGAL
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Biogás a partir de microalgas
Nannocloropsis gaditana Liofilizada (80-90ºC)
% / kg DM No extraida (A) Aceite extraida (B)
Lipidos (%) 16,3 6,5
Carbohidratos(%) 20,6 23,0
Proteinas (%) 41,9 46,8
Solventes – E-OH (%) 0 1,5
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Figure 1: Evolución de la productividad algal a relaciones S/I de 0.5 (), 1 () and 3 (▲)
Especie de microalgas importa Relación sustrato/inoculo optima= 0.5 Inhibición a S/I de 3
Biogás a partir de microalgas
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Concentración óptima de 20 g kg TS-1
Figure 2: Evolución de la productividad algal a 3gTS/kg; (o), 10gTS/kg () and 20gTS/kg ();
Biogás a partir de microalgas
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Hidrolisis Térmica fue el pre-tratamiento más efectivo Incubación Biológica reduce el Potencial Metanogénico Cantidad de Energía suministrada no fue α al ΔBMP
Biogás a partir de microalgas
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Mayores velocidades de Producción de CH4 en microalga extraída Productividades finales similares
Biogás a partir de microalgas
Non-extracted 10gTS/kg Lipid extracted 10gTS/kg
♦SIR=0.5, SIR=1.0, ▲ SIR=3.0 ■
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Más información: www.iqtma.uva.es/envtech http://etuva.blogspot.com.es/
Raul Muñoz: [email protected]
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Composición Biogas
GC-TCD
P
Sensor Piezo
electrico
80 mL
80 mL
Helio
5 g L-1 NaHCO3
120 rpm
T = 35 ºC
[Microalga] = 10 g kg-1 S/I
• 0. 5
• 1
• 3
S/I =1 Concentraciones (g L-1)
• 3
• 10
• 20
[Microalgae] = 10 g kg-1 S/I = 1 Pre-tratamientos
• Hidrólisis Térmica
• Ultrasonidos
• Tratamiento Biológico
DQO
SV
NH4+
Microalga
Inoculo
Biogás a partir de microalgas