Granjas para Cultivo de Micro-Algas
Es posible
obtener bio-aceite y biodiesel mediante el cultivo micro-algas en granjas. Se
requieren micro-algas con alto contenido de aceite y de desarrollo rápido. Al
contrario de los cultivos terrestres, las microalgas no requieren suelos
agrícolas, y su producción de biomasa por unidad de superficie, es hasta 100
veces mayor que la de cultivos agrícolas. El tamaño de las granjas para cultivo de micro-algas
se mide por la superficie que ocupan los estanques. La profundidad de los
estanques debe permitir el ingreso de luz solar.
Regiones:
En regiones
templadas y cálidas, así como en desiertos y costas donde los suelos no son
adecuados para producción de alimentos, pueden cultivarse micro-algas en
estanques poco profundos para que la luz pueda penetrar.
Así mismo, las micro-algas pueden cultivarse en foto-reactores que se
mencionarán en este documento.
Estanques:
Los estanques
se diseñan de tal manera que dentro ellos sea posible hacer circular agua y
nutrientes constantemente, alrededor y conjuntamente con las micro-algas. De
tal manera las microalgas se mantienen suspendidas en el agua y, con frecuencia
regular, son traídas a la superficie. Es decir, el agua y los nutrientes para
las microalgas son suministrados constantemente. El agua que contiene algas es
recibida al otro lado del estanque. Es necesario un sistema de “cosecha” para
separar el agua de las algas que contienen aceite natural.
Dióxido de Carbono:
La habilidad
de los cultivos de micro-algas para utilizar altos volúmenes de dióxido de
carbono (CO2) es tan grande que, el desarrollo de esta tecnología
fue motivado con la idea de mitigar las emisiones de gases de efecto
invernadero, haciendo pasar el CO2 proveniente de procesos
industriales y de generación de energía eléctrica mediante cultivo de
micro-algas.
De tal manera, se presenta posibilidad para que el cultivo de micro-algas se efectúe cerca de refinerías y plantas industriales que generan el CO2 que sirve como alimento a las micro-algas. Los estanques para cultivo de micro-algas pueden ser altamente eficientes en la utilización de CO2. Hasta 90% ó más del CO2 inyectado en los estanques puede ser utilizado eficientemente por las microalgas.
Las investigaciones sobre cultivos de micro-algas se ha centrado en:
- Selección de cultivos e ingeniería genética para incrementar la cantidad de lípidos en las microalgas.
- Manipulación genética del mecanismo por el cual las microalgas cambian de su estado normal crecimiento a la producción de lípidos, a fin de mantener mejor producción de ambos (crecimiento y producción de lípidos).
- Optimizar las características de los lípidos producidos por micro-algas para convertirlos en combustibles mediante hidro-procesos.
- Trabajar en conjunto con personal de refinerías de petróleo para mejorar el hidro-proceso, a fin de convertir el aceite de micro-algas en diesel ó gas-avión.
Se han catalogado las microalgas en diversas clases:
- Diatomeas (Bacillariophyceae): Dominan en el fitoplancton de los océanos. También pueden encontrarse en agua fuera 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 ó como polímeros de carbohidratos.
- Alga Verde (Chlorophyceae): Son también muy abundantes, particularmente en aguas continentales (lagos, ríos, albercas). Pueden presentarse como unicelulares o en colonias. Son ancestros de las plantas actuales. Almacenan principalmente almidón, pero también aceites pueden ser producidos bajo ciertas condiciones.
- Alga Azul-Verdosa (Cyanophyceae): Esta se asemeja a las bacterias en cuanto a estructura y organización. Tiene función importante en la fijación de nitrógeno atmosférico. Existen alrededor de 2 mil especies conocidas, y se encuentran en hábitats diversos.
- Alga Dorada (Chrysophyceae): Este grupo de algas es similar a las Diatomeas en su composición bioquímica y pigmentación. Tiene sistemas de pigmentación más complejos y, pueden aparecer amarillas, cafés ó anaranjadas. Existen alrededor de mil especies conocidas, y se encuentran principalmente en sistemas de aguas continentales. Produce y almacena aceites naturales y carbohidratos.
Aguas
Residuales y Agua de Mar:
Las granjas para cultivo de micro-algas pueden ser diseñadas y construidas para utilizar aguas residuales provenientes de municipalidades y sector agropecuario. De este modo podría propiciarse la expansión de estas granjas.
Es posible extraer nutrientes de las algas para producción de fertilizantes que contengan nitrógeno y fósforo. Al utilizar aguas residuales en el cultivo de micro-algas, se crea la cadena de reciclaje: Fertilizantes-Alimentos-Residuos-Fertilizantes.
Al utilizar agua de mar en los estanques se evita el costo de desalinización. Pero usar este tipo de agua puede conducir a problemas como acumulación de sales en los estanques. Habrá que tomar en cuenta también la evaporación. Hay soluciones para estos problemas. En regiones costeras, los estanques podrían colindar con los océanos para utilizar el agua mar.
Foto-Bio-Reactores
Recientemente, la investigación se
centra principalmente en foto-reactores, en lugar de estanques para producción
de micro-algas. La razón para este cambio está relacionada con problemas
previos encontrados en estanques abiertos como: invasión de algas indeseables
con baja producción; vulnerabilidad de las micro-algas a fluctuaciones de
temperatura; pérdida de micro-algas por evaporación de agua en estanques, etc.
Sin embargo, el costo de los foto-reactores es generalmente mas alto que el de los estanques. Esto implica un costo mayor por concepto de capital invertido. De tal manera se requieren foto-reactores que ofrezcan altas producciones (óptima luz), fabricados a bajo costo considerando el costo por inversión en estanques.
Aspectos Generales sobre Micro-Algas:
a)
El mejoramiento de
los procesos tecnológicos y diseños de sistemas integrados para el uso de
subproductos generados en el cultivo de micro-algas, permitiría optimizar la relación
costo-beneficio en los proyectos.
b)
Para producir
biodiesel no únicamente se requiere el bio-aceite, sino también alcohol
(metanol ó etanol) que constituye
alrededor del 10% del volumen total en la producción. Uno de los métodos para
producir alcohol es mediante hidrólisis y fermentación de celulosa vegetal.
c)
Las micro-algas
pueden ser cultivadas bajo condiciones agro-climáticas difíciles, como por
ejemplo en desiertos. Los costos de cosecha y transporte algas es menor
comparado con el cultivos agrícolas, y su tamaño pequeño permite opciones de
procesamiento efectivas en cuanto a costo.
d)
En la producción de
energía a partir de la biomasa en micro-algas, se presentan dos acercamientos
básicos, dependiendo del organismo en particular y del tipo de carbohidratos
que produce. El primero, es simplemente la conversión biológica de nutrientes a
lípidos y carbohidratos. El segundo, implica tratamiento termo-químico de la
biomasa para obtener carbohidratos utilizables.
e)
Lípidos y
carbohidratos se encuentran normalmente almacenados en la biomasa de las
células de micro-algas. En algunos casos, la composición de los lípidos puede
ser regulada mediante la adición o restricción de algunos componentes en su
dieta. Restringir las fuentes de nitrógeno o sílice, así como de otros factores
de estrés, puede incrementar la producción total de lípidos.
f)
El tipo y cantidad
de lípidos y carbohidratos producidos por micro-algas se encuentran
relacionados frecuentemente a factores del medio ambiente como luz,
temperatura, concentración de iones y PH. No es raro encontrar niveles de
lípidos entre 20 y 40% de la materia seca. En ocasiones los niveles de lípidos
en micro-algas son extremadamente altos. En la especie denominada Botryococcus, la concentración de
carbohidratos en materia seca puede exceder de 90% bajo ciertas condiciones.
g)
La cosecha y manejo de micro-algas puede debe
ser conveniente en procesos termo-químicos de licuefacción. Las microalgas
pueden ser convertidas en materia aceitosa bajo la influencia de alta temperatura
y alta presión. Rendimientos entre 30 y 40% de aceite pesado son posibles de
esta forma. Este aceite puede convertirse en biodiesel mediante proceso de
trans-esterificación.
h) En casos donde los carbohidratos son anabólicos por micro-algas, la extracción directa es la forma más simple y efectiva para obtener estos productos. Esto puede ser efectuado ya sea mediante el uso de solventes; expresión directa de los lípidos líquidos o combinación de ambos métodos. Fuente: Morton Satin, Chief Agro-Industries and Post-Harvest Management Service.
|
Contenido
de Lípidos en Diversos Tipos de Algas |
|
|
Alga |
% Lípidos (materia seca) |
|
Scenedesmus sp. |
12-40 |
|
Chlamydomonas sp. |
21 |
|
Clorella sp. |
14-22 |
|
Spirogyra sp |
11-21 |
|
Dunaliella sp. |
6-8 |
|
Euglena so. |
14-20 |
|
Prymnesium sp. |
22-38 |
|
Porphyridium sp. |
9-14 |
|
Synechoccus sp. |
11 |
|
Fuente: Morton Satin, Chief
Agro-Industries and Post-Harvest Management Service |
|
|
Composición % (base materia seca) |
||||
|
Alga |
Proteína |
Carbohidratos |
Lípidos |
Ácido
Nucleico |
|
Scenedesmus obliquus |
50-56 |
10-17 |
12-14 |
3-6 |
|
Scenedesmus quadricauda |
47 |
- |
1.9 |
- |
|
Scenedesmus dimorphus |
8-18 |
21-52 |
16-40 |
- |
|
Chlamydomonas rheinhardii |
48 |
17 |
21 |
- |
|
Chlorella vulgaris |
51-58 |
12-17 |
14-22 |
4-5 |
|
Chlorella pyrenoidosa |
57 |
26 |
2 |
- |
|
Spirogyra sp. |
6-20 |
33-64 |
11-21 |
- |
|
Dunaliella bioculata |
49 |
4 |
8 |
- |
|
Dunaliella salina |
57 |
32 |
6 |
- |
|
Euglena gracilis |
39-61 |
14-18 |
14-20 |
- |
|
Prymnesium parvum |
28-45 |
25-33 |
22-38 |
1-2 |
|
Tetraselmis maculata |
52 |
15 |
3 |
- |
|
Porphyridium cruentum |
28-39 |
40-57 |
9-14 |
- |
|
Spirulina platensis |
46-63 |
8-14 |
4--9 |
2-5 |
|
Spirulina maxima |
60-71 |
13-16 |
6-7 |
3-4.5 |
|
Synechoccus sp. |
63 |
15 |
11 |
5 |
|
Anabaena cylindrica |
43-56 |
25-30 |
4-7 |
- |
|
Fuente: Becker (1994) |
||||
Desarrollo y Productividad:
El desarrollo
de micro-algas por hectárea es hasta 100 veces mayor y más rápido que el de las
plantas terrestres utilizadas para producción de aceite. Actualmente, el bajo
costo de los recipientes de plástico hace posible la producción de micro-algas
en sistemas cerrados, como por ejemplo reactores tubulares transparentes de
plástico.
Se han reportado producciones de hasta 50 Gramos de Alga/Día/M2. Esto equivale a: 18.25 Kg. de Alga/Año/ M2. Y 182,500 Kg. de Alga/Año/Hectárea. Esta producción depende por supuesto de diversos factores entre los que se encuentra la disponibilidad de luz solar.
La productividad en las granjas para
cultivo de micro-algas se mide en términos de biomasa producida por día y
unidad de superficie disponible. La superficie necesaria (hectáreas) estará en
relación con la cantidad de bio-combustible que se desea producir. Es en
ocasiones conveniente iniciar con proyectos piloto, a fin de tener oportunidad
para expandir los cultivos y las experiencias. En este sentido, sería
conveniente distribuir los cultivos y producción de micro-algas para minimizar
los costos de transportación de la biomasa hacia refinerías.
Inversión
y Costos:
Algunos autores estadounidenses estiman
que la inversión por hectárea con estanques podría estar entre 40 mil y 60 mil
dólares. En algunas propuestas estadounidenses se mencionan estanques con
superficie de 8
hectáreas cada uno. En algunos estudios estadounidenses,
los costos de operación incluyendo retorno de la inversión se estiman entre
10mil y 15 mil dólares por hectárea/año. Sin embargo estos datos no reflejan
costos reales en condiciones de países en desarrollo donde los costos de
operación e inversión podrían ser menores.
FOTO-BIO-REACTORES
Mini
Reactor:
El pequeño foto-reactor se utiliza
generalmente para mostrar el desarrollo de Micro-Algas. Las micro-algas puede
duplicarse hasta 100% en 24 horas. Es decir, un gramo de micro-algas se
convierte dos gramos en 24 horas. En este reactor, debido a su capacidad
mínima, resulta difícil separar las algas del agua. Es decir, a través del
filtro en la parte inferior del foto-bio-reactor se extrae el agua
conjuntamente con algas. Esta masa de agua y algas se pone a secar en horno de
vacío para eliminar el agua y obtener únicamente las micro-algas. Es posible
cultivar especies de micro-algas que usan agua de fresca o de mar.
Foto-Bio-Reactor
– Unidad para Pruebas:
Proceso:
a)
Preparar inoculante
(micro-algas).
b) Llenar el tanque del foto-bio-reactor con agua y nutrientes.
c)
Iniciar la
recirculación.
d)
Añadir el
inoculante.
e)
Comenzar a
suministrar C02.
f) Esperar a que la mezcla esté homogénea (verde uniforme).
g) Suministrar agua; nutrientes y C02 a la mezcla.
h)
Control del PH en
caso necesario.
Estimados para Producir Un Kilogramo de Alga Seca en Unidad de Prueba
a)
C02: 1.7 Kg.
b) Agua; 20 a 30 Litros a temperatura entre 22 y 35 °C.
c) Nutrientes: Nitrógeno 40 Gramos; Fósforo 4.0 Gramos.
d) Temperatura general entre 18 y 35 °C.
Generalmente, la composición de algas
(materia seca) contiene alrededor de 46% de Carbón; 10% de Nitrógeno; 1% de
Fosfatos. Un kilogramo de alga (materia seca) utiliza hasta 1.7 Kg. de C02,
pero normalmente para cálculos se usa 1.0 Kg. de C02. Es posible obtener
Bonos de Carbono por el C02. absorbido por algas.
Secado:
El alga puede ser secada al sol, mediante vacío, centrífugas o en invernaderos.
Cosecha en Foto-Bio-Reactores:
La cosecha de alga (separación de agua y algas) puede efectuarse mediante centrifugación o filtrado. En condiciones óptimas es posible cosechar cada 3. 5 ó 4 horas.
Extracción
de Aceite:
El alga seca retiene sus aceites que pueden extraerse mediante prensado (70 a 75% de aceite se obtiene de la materia seca) y en combinación con solventes como hexano, benceno o éter. Existen riesgos de toxicidad y explosión en el uso de solventes. El hexano se usa mayormente. Después de haberse extraído (expelido) aceite mediante prensado, la pulpa resultante se mezcla con ciclo-hexano para extraer el remanente de aceite. El aceite se disuelve en el ciclo-hexano, y la pulpa se filtra fuera de la solución. La separación de aceite y ciclo-hexano se efectúa mediante destilación. Con la combinación de estos dos procesos (pensado y solventes) es posible obtener alrededor de 90% del aceite contenido en algas.
Agua
Residual:
No es necesario tratar los excedentes de agua después de su uso en el cultivo de alga, sino que se usa nuevamente en el flujo continuo del sistema. Esta agua contendrá en ocasiones residuos útiles de algas. Sin embargo, habrá que añadir C02 en cantidad proporcional a la cantidad de agua residual re-utilizada.
Calidad
del Aceite:
La calidad del aceite dependerá de el tipo de algas utilizadas. Así mismo la producción. Generalmente el aceite proveniente de algas pude compararse con el aceite de soya.
Pulpa
de Algas:
La pulpa de algas (post-extracción del aceite) contiene diversos compuestos nutritivos como, ácidos grasos poli-insaturados de cadena larga; vitaminas y antioxidantes como los betacarotenos. Puede utilizarse en las industrias alimenticias y farmacéuticas porque contienen también esteroles que pueden utilizarse como elementos de construcción de hormonas. Además la cianobacteria es elemento potencial en aplicaciones bio-médicas en compuestos anti-virales, anti-microbiales y anti-cancerigenos. El precio de la pupa de alga en Holanda oscila entre 1.00 y 3.oo Euros por kilogramo (Juschin 2007).
Ciclo
de Vida:
En condiciones óptimas, sin contaminación, las algas pueden desarrollarse de manera continua. Sin embargo habrá que suministrar periódicamente cultivos de algas al sistema.
Crecimiento:
Entre 50 y 150 gramos de materia seca por metro cúbico diariamente en condiciones favorables dentro de foto-bio-reactores.
Nutrientes Recomendables en el Agua del Cultivo:
Producto Gramos/Litro
Na2CO3
1.36
K2SO4
1.00
NaCI 1.00
MgSO4.7H2O 0.20
CaCL2.2H2O
0.04
FeSO4.7H2O
0.01
EDTA-Na2 0.08
K2HPO4 0.50
Micro
Nutrientes:
H3BO3 0.011
MnCL2.4H2O 0.007
ZnSO4.7H2O 0.0009
CuSO4.5H2O 0.0003
MoO3 0.00006
KCr(SO4)2.12H2O 0.0004
NiSO4.7H2O 0.0002
(NO3)Co.6H2O 0.0002
Na2Mo4.2H2O
0.000072
Algas para Uso Potencial en la Obtención de Aceite y Pulpa:
Alveolates
– Dinophyta
Amphidinium
Ceratium, Cystodinium,
Glenodinium, Lingulodinium,
Oxyrrhis,
Peridinium, Prorocentrum,
Pyrocystis,
Woloszynskia
Charophyta: ver Streptophyta
Chlorarachniophyta
Euglenophyta
– Euglenophyceae
Astasia,
Colacium,
Cyclidiopsis,
Distigma,
Euglena, Eutreptia,
Gyropaigne,
Hyalophacus,
Khawkinea,
Lepocinclis,
Menoidium,
Parmidium, Phacus,
Rhabdomonas,
Trachelomonas
Chlorarachnion
Chlorophyta – Chlorophyceae
s.l.
Actinastrum, Actinochloris, Amphikrikos, Ankistrodesmus, Ankyra, Aphanochaete, Asterarcys, Asterococcus, Asteromonas, Astrephomene, Atractomorpha, Axilosphaera, Binuclearia, Borodinellopsis, Botryococcus, Brachiomonas, Bracteacoccus, Carteria, Chaetonema, Chaetopeltis, Chaetophora, Chamaetrichon, Characiochloris, Characium, Chlamydocapsa, Chlamydomonas, Chlamydopodium, Chlorella, Chlorochytrium, Chlorocloster,Chlorococcum, Chlorogonium, Chloromonas, Chlorosarcina, Chlorosarcinopsis, Chlorosphaeropsis, Chlorotetraedron, Choricystis, Cladophora, Cloniophora, Closteriopsis, Coccobotrys, Coelastrella, Coelastropsis, Coelastrum, Coenochloris, Coleochlamys, Coronastrum, Crucigenia, Crucigeniella, Cylindrocapsa, Cylindrocapsopsis, Cystomonas,
Dactylococcus, Deasonia, Desmatractum, Desmodesmus, Diacanthos, Dicloster, Dicranochaete, Dictyochloris, Dictyococcus, Dictyosphaerium, Didymocystis, Didymogenes, Dilabifilum, Dimorphococcus, raparnaldia, Dunaliella, Dysmorphococcus,
Echinocoleum, Elakatothrix, Enallax, Eremosphaera, Ettlia, Eudorina,
Fasciculochloris,
Fernandinella, Follicularia, Fottea, Franceia,
Fritschiella, Fusola,
Geminella,
Gloeococcus, Gloeomonas, Gloeotila, Golenkinia, Gonium, Granulocystis,
Granulocystopsis
Haematococcus,
Hazenia, Hemichloris, Hete
Inte
Kentrosphaera,
Ke
Lagerheimia,
Lobocystis, Lobomonas,
Macrochloris,
Ma
Nautococcus,
Neglectella, Neochlo
Oedogonium,
Oocystella, Ooneph
Pabia,
Pachycladella, Palmellopsis, Palmodictyon, Pando
Glaucophyta – Glaucophyceae
Cyanophora,
Cyanoptyche,
Glaucocystis,
Gloeochaete
Haptophyta
– Haptophyceae
Apistonema,
Chrysochromulina,
Coccolithopho
Emiliana,
Isochrysis,
Pavlova,
Prymnesium y Ruttnera
Heterokontophyta – Bacillariophyceae
Amphiprora,
Aste
Coscinodiscus
, Cyclotella,
Fragilaria,
Gomphonema,
Navicula,
Nitzschia,
Phaeodactylum,
Pinnularia,
Skeletonema, Stephanodiscus, Stephanopyxis,
Thalassiosira
Hete
Anthophysa,
Chlamydomyxa, Ch
Ochromonas, Poterioochromonas
Hete
Hete
Chloridella,
Ellipsoidion,
Eustigmatos,
Goniochloris,
Monodopsis,
Monodus, Nannochloropsis, Pseudocharaciopsis, Pseudoellipsoidion,
Pseudostau
Tetraedriella,
Vischeria
Heterokontophyta – Phaeophyceae
Ploeotila,
Polyed
Quadricoccus,
Quad
Radiofilum,
Radiosphae
Scenedesmus,
Schizochlamys, Schizome
Tetracystis,
Tet
Urnella,
U
Viridiella,
Volvox, Volvulina,
Westella,
Willea
Chlorophyta – Prasinophyceae
Mantoniella,
Mic
Nephroselmis,
Pseudoscourfieldia,
Scherffelia,
Tetraselmis
Chlorophyta – Trebouxiophyceae
Actinastrum,
Amphik
Chlorella,
Cho
Jaagiella,
Leptosira,
Lobococcus,
Makinoella,
Ma
Oocystis,
Prasiola,
P
Stichococcus,
Tetrachlorella,
T
Watanabea
Chlorophyta
– Ulvophyceae
Acrochaete,
Acrosiphonia, Anadyomene,
Bryopsis,
Cephaleuros, Chlorocystis, Cladophoropsis,
Dangemannia,
Enteromorpha,
Gloeotilopsis,
Halochlorococcum,
Ostreobium,
Pirula,
Pithopho
Trentepohlia, Trichosarcina, Ulothrix
Cryptophyta – Cryptophyceae
Chilomonas,
Chroomonas, Cryptomona,
Guillardia,
Pyrenomonas
Cyanobacteria
Anabaena, Anabaenopsis, Aphanizomenon, Aphanocapsa, Aphanothece, Arthronema, Arthrospira,
Calothrix, Chamaesiphon, Chlorogloea, Chlorogloeopsis, Chroococcidiopsis, Chroococcopsis, Chroococcus, Crinalium, Cyanothece, Cylindrospermopsis, Cylindrospermum,
Dermocarpella,
Dichothrix, Eucapsis,
Fischerella,
Fremyella,
Gloeobacter, Gloeothece, Gloeotrichia, Gomphosphaeria,
Hormoscilla, Hydrocoleus, Limnothrix, Lyngbya,
Mastigocladus, Merismopedia, Microchaete, Microcoleus, Microcystis, Myxosarcina,
Nodularia, Nostoc, Nostochopsis,
Oscillatoria,
Petalonema,
Phormidium, Planktothrix, Plectonema, Pleurocapsa,
Prochlorothrix, Pseudanabaena, Rhabdogloea,
Scytonema, Spirulina, Stanieria, Starria, Stigonema, Symploca, Synechococcus, Synechocystis,
Tolypothrix,
Tychonema,
Westiellopsis,
Xenococcus
Heterokontophyta – Chrysophyceae
Anthophysa,
Chlamydomyxa, Chromulina, Chrysocapsa, Chrysonebula,
Ochromonas,
Poterioochromonas
Heterokontophyta – Dictyochophyceae: Pseudopedinella
Heterokontophyta – Eustigmatophyceae
Chloridella,
Ellipsoidion,
Eustigmatos,
Goniochloris,
Monodopsis,
Monodus, Nannochloropsis,
Pseudocharaciopsis, Pseudoellipsoidion, Pseudostaurastrum,
Tetraedriella,
Vischeria
Heterokontophyta
– Phaeophyceae
Asterocladon,
Bodanella,
Dictyota,
Ectocarpus,
Halopteris,
Heribaudiella,
Pleurocladia,
Porterinema,
Pylaiella,
Spermatochnus,
Sphacelaria,
Waerniella
Heterokontophyta – Phaeothamniophyceae
Phaeobotrys, Phaeothamnion
Heterokontophyta – Raphidophyceae
Heterosigma,
Olisthodiscus,
Vacuolaria

