Biocombustibles de microalgas (II)

4 septiembre, 2013 de Elodie Brans 30 comentarios

En mi anterior post os hablé como la carrera hacia una nueva forma de combustible empezó en 2005 con la subida del precio del petróleo, la creciente dependencia de las importaciones y el agotamiento de los recursos en todo el mundo. Afortunadamente, los científicos han estado estudiando durante años la producción de combustible alternativos más “limpios”, con un menor impacto en el medio ambiente.

Estos últimos años, las algas se están convirtiendo en una de las soluciones con más aceptación para la producción de biodiesel. ¿Las mismas algas que vemos todos los verano en la playa? También os estaréis preguntando ¿cómo una materia verde viscosa puede convertirse en combustible para los coches y aviones, e incluso para los calefactores que calientan nuestros hogares? Antes de profundizar en la producción de biocombustibles de algas, veamos qué sabemos sobre las algas.

¿Todas las algas son iguales?

Si recordáis las clases de biología del instituto, sabréis que las algas son organismos fotosintéticos que, como las plantas terrestres y algunas bacterias fotosintéticas, utilizan la energía del sol para crear materia orgánica a partir del CO2 atmosférico y del agua.

Existen más de 30.000 especies conocidas de algas, desde las microscópicas (microalgas) flotando en los estanques, hasta las gigantes que pueden llegar a alcanzar cien metros que habitan los océanos. Las microalgas son la forma más primitiva de las plantas superiores. Si bien el mecanismo de la fotosíntesis en las microalgas es similar a la de las plantas superiores, las microalgas, debido a su estructura celular sencilla, son generalmente más eficientes para convertir la energía solar en lípidos, el componente base que serán después transformado en biocombustibles.

¿Qué hace la producción de biocombustibles a partir de algas tan emocionante?

Tal y como hemos visto en mi anterior post, con el objetivo de reducir el impacto medioambiental de los biocombustibles producidos a partir de plantas terrestres, los investigadores se han centrado estos últimos años en el estudio de plantas acuáticas como las algas que no compiten con las tierras agrícolas y la producción de alimentos.

Comparación de los rendimientos medios de aceite producido a partir de algas con otras semillas oleaginosas. /oilgae.com

La parte más emocionante de la producción de biocombustibles de microalgas es el juego de números. Los fabricantes de biodiesel afirman que son capaces de producir más de 56.000 litros de aceite de algas por hectárea y año.

Bueno, ¿y qué? Pues que las microalgas son capaces de producir 30 veces la cantidad de lípidos por unidad de superficie de la tierra, en comparación con los cultivos de semillas oleaginosas terrestres. Y esto se deba a que más de la mitad de la composición de las microalgas en peso esta compuesto por lípidos.

¡Sigamos con los números!

Los expertos estiman que se necesitan cada año 140 mil millones de litros de biodiesel de algas para sustituir los productos a base de petróleo. Para alcanzar este objetivo, las empresas de biodiesel de algas sólo necesitarán unos 95 millones de hectáreas de tierra para construir plantas de biodiesel, en comparación con los miles de millones de acres de otros productos de biodiesel, tales como la palma o el maíz.

Evidentemente, los rendimientos dependerán principalmente del tipo de algas que se utiliza, de la forma en que el alga se cultiva y del método de extracción de petróleo utilizado. Pero parece que las microalgas se han convertido en “La” promesa para producir combustibles económicamente viables y ambientalmente beneficiosos.

Comparación del Biodiesel de microalgas y del diesel de petróleo. / oilgae.com.

 ¿Qué son las microalgas?

Los biólogos han clasificado las microalgas en diferentes grupos que se distinguen principalmente por su pigmentación, ciclo de vida y su estructura celular. La pregunta clave que todos tenéis en mente es: ¿cuál es la mejor especie de microalgas para la producción de biocombustibles?

Alga verde (Chlorophyceae)

Según las últimas investigaciones, las mejores cepas son las algas verdes Chlorophyceae. Las algas verdes son los progenitores evolutivos de las plantas modernas y son además muy abundantes en agua dulce (¡cualquier persona que posee una piscina es más que familiarizado con esta clase de algas!). El compuesto orgánico de almacenamiento principal para las algas verdes es el almidón, aunque los aceites también pueden ser producidos bajo ciertas condiciones, y tienen muy altas tasas de crecimiento a 30°C por eso se suele cultivar las algas en zonas calientes y soleadas con España.

Diatomeas (Bacillariophyceae)

Las diatomeas (Bacillariophyceae) son también buenos candidatos, pero el factor limitante es la necesidad de silicio para su crecimiento y producción de lípidos, mientras que las algas verdes solo requieren nitrógeno para crecer. Estas algas componen el fitoplancton de los océanos, pero también se encuentran en el agua dulce y el agua salobre (agua que tiene más sales disueltas que el agua dulce, pero menos que el agua de mar).

La extracción de biocombustibles a partir de algas puede parecer un trabajo sucio. No os preocupéis, vamos a arremangar nos y nos adentramos en la ingeniería de los biocombustibles de microalgas.

¿Cómo se produce biodiesel a partir de microalgas?

Biocombustibles producidos a partir
de microalgas. /IFPEN.

Si tenemos en cuenta que la biomasa de las microalgas contiene proteínas, carbohidratos y aceites naturales en forma de triglicéridos, se consideran tres opciones principales para la producción de combustible:

1) La producción de gas metano a través de la gasificación biológica o térmica.

2) La producción de etanol por fermentación y conversión de la fracción de carbohidratos.

3) La producción de biodiesel que se aplica exclusivamente a la fracción de aceite natural.

La producción de biodiesel a partir de microalgas es hoy en día la técnica más aceptada por parte de los profesionales.

Una vez seleccionada la cepa de microalga con los mayores rendimientos, se cultivan en grandes estanques abiertos (conocidos como raceways o Lagunas Abiertas (LA)) o en fotobiorreactores ((FBRs) tubos transparentes) (más adelante veremos cual los dos sistemas de producción es el mejor). Después de la cosecha, se puede extraer los triglicéridos de las células con diferentes métodos (centrifugación, tratamiento con disolvente, lisis térmica, etc.). La extracción más simple y más popular utiliza como disolvente el hexano. Combinado a un sistema de presa, la extracción con hexano puede extraer hasta 95% del aceite contenido en las células de microalgas.

Esquema de cultivo y producción de microalgas.

Debido a la gran masa molecular y la estructura química de los aceites, no podemos emplear el biocombustible de microalgas tal cual, sería demasiado viscoso, con viscosidades que van desde 10 hasta 20 veces superiores a los combustibles fósiles. Por eso da muchos problemas en la combustión y la atomización en los sistemas de inyección de los motores actuales diseñado para recibir combustibles fósiles.

En la década de 1980, se introdujo un proceso llamado transesterificación en el proceso de fabricación para rebajar la viscosidad de los aceites. Químicamente, la transesterificación es la transformación de un triglicérido en un éster de alcohol (o biodiesel), en presencia de un alcohol (metanol o etanol) y un catalizador (un álcali o un ácido), obteniendo glicerina como subproducto. Después de la reacción química, se obtiene dos capas: la glicerina queda en la parte inferior y puede ser utilizada para hacer jabones por ejemplo, mientras que el biodiesel aparece en la parte superior. La mezcla se refina para eliminar el glicerol. El producto final es un biodiesel de microalgas que tiene propiedades muy similares a las del diesel de petróleo común.

El proceso de extracción de aceite de las algas es universal, pero las empresas productoras de biodiesel de algas utilizan diversos métodos para implementar los rendimientos para poder producir grandes cantidades de biodiesel.

¿Cómo producir más aceites?

Tipos de reactores para el cultivo masivo de microalgas. a) y b) FBR tubular; c) Vertical Algae Technology (VAT); d) FBR tipo placa; e) Lagunas abiertas (LA) también conocidas como “raceways”.

El método más natural de cultivo de algas para la producción de biodiesel es al aire libre en grandes estanques de crecimiento. Aunque esta técnica es la menos costosa, tiene algunos inconvenientes. El mal tiempo, al igual que la contaminación por bacterias u otros organismos externos pueden atrofiar el crecimiento de las algas. Además, para una producción óptima, se debe mantener el agua a una temperatura determinada, condición muy difícil de mantener si el estanque está abierto.

La producción vertical en fotobiorreactores ha sido desarrollado por las empresas de biocombustibles para producir algas de forma más rápida y más eficiente. Las algas se colocan en tubos transparentes para que puedan ser expuestas a la luz solar en todos los lados. Además una exposición adicional de luz artificial aumenta la tasa de productividad de las algas, que a su vez aumenta la producción de aceite. La principal ventaja de los sistemas de producción cerrados es que no están tan sujetos a la contaminaciones de organismos que han podido ser llevados en el viento.

Se emplean varias técnicas para mejorar las tasas de producción de lípidos. Por ejemplos, los investigadores identificaron incrementos dramáticos en el contenido de lípidos en condiciones de cultivos deficientes en nitrógeno. Pero la biotecnología ha demostrado una vez más ser una gran aliada de la industria. Estudios bioquímicos han demostrado que la acetil-CoA carboxilasa (ACAC), una enzima unida a la biotina, está implicadA en el control de los procesos de la acumulación de lípidos. A través de la ingeniería genética, podemos mejorar las tasas de producción en lípidos mediante el aumento de la actividad de la expresión del gen de esta enzima.

Actualmente, las empresas productoras de biodiesel están invirtiendo sus esfuerzos en mejorar la biosíntesis de lípidos. Y para ello, sin duda la biotecnología promete ser un aliado fuerte para aumentar los rendimientos de las cepas de microalgas.

¿Apostamos por el biodiesel de algas?

Todo suena perfecto, ¿no?

Un producto limpio capaz de reciclar el CO2 atmosférico responsable del efecto invernadero, con la posibilidad añadida de reutilizar las aguas residuales urbanas, con una alta productividad con rendimientos que superan de lejos los de otros biocombustibles, una producción que no compite con los suelos cultivables agrícolas, el biodiesel de microalgas parece ser la energía «perfecta» del futuro. Además, es importante recordar que se le valora positivamente por su mayor lubricidad (por lo que prolonga la vida útil de los motores), por su mejor combustión (reduciendo así el humo visible y la emisión de partículas nocivas como el dióxido de azufre SO2 en un 47% en el arranque de los vehículos en comparación con el diesel de petróleo), por alta degradabilidad y seguridad (con baja persistencia en el medioambiente y menor peligro de explosión).

Pero a pesar de la connotación idílica que suele traer a la mente el prefijo “bio”, el biodiesel de microalgas tiene algunas desventajas con los que hay que ser cautos.

Es cierto que las pruebas comerciales con el biodiesel de microalgas han sido muy prometedoras, pero como hemos visto anteriormente, la optimización del método de producción es un factor clave para poder asegurar los objetivos de producción enumerados. El contenido energético del biodiesel de microalgas es algo menor que el del diésel (entre 5% y 8%), por lo que su consumo es ligeramente mayor en los motores actuales. Además, en general el biodiesel presenta problemas de fluidez y congelamiento a bajas temperaturas (<0°C), y si es de mala calidad (con un bajo número de cetano) puede incrementar las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno), un compuesto altamente contaminante.

Una discusión adecuada sobre los pros y los contras de los biocombustibles requiere mucho más espacio que el que he podido albergar en este post. Pase lo que pase, la búsqueda de un mejor combustible es emocionante. En un futuro próximo, es muy probable que estaremos leyendo cada vez más sobre los éxitos emergentes del biodiesel de microalgas. Y yo pienso estar atenta a este futuro tan valioso y prometedor para poder contarlo aquí!

Para más información, os recomiendo ver este video: 300 años de combustibles fósiles en 300 segundos…

Elodie Brans.

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