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Dr. Jorge Alberto Vieira Costa
Universidade Federal do Rio Grande
Hacia la generación de energías limpias:
Microalgas, Biodiesel y Biopolímeros
leblaboratório deengenharia bioquímica
Alajuela, Costa Rica
29 de julio de 2013
Temas
Calentamiento Global
Biotecnología de Microalgas
Fotobiorreactores para el Cultivo de Microalgas
Producción de Biodiesel a Partir de Microalgas
Ventajas del Biodiesel de Microalgas
Producción de Biopolímeros de la Biomasa Residual
Biofijación de CO2 por las Microalgas
¿ Por que Biodiesel de Microalgas ?
¿¿ Por que Biodiesel ??
El PROBLEMA
El PROBLEMA
REVISTA TIME
(ABRIL/2006)
EL PROBLEMA
LAS CAUSAS DEL PROBLEMA
1. Homo sapiens
2. Energía para la sociedad establecida en el
siglo XX
~75% de la Matriz Energética es
FÓSIL
LAS CAUSAS DEL PROBLEMAMATRIZ ENERGÉTICA
LA SOLUCIÓN
CAMBIO DE MENTALIDAD!!!!!
¿ Cómo utilizar la energía ?
¿ Cuál tipo de energía utilizar ?
Otros cambios.....
LA SOLUCIÓN
Medidas orientadas a reducir la concentración de
gases de efecto invernadero en la atmósfera.
Reducir emisiones y capturar CO2
LA SOLUCIÓN
CO2 emitido + CO2 fijado
Cambios en la matriz energéticaSistemas con capacidad
de fijación de CO2
MATRIZ ENERGÉTICA
Petróleo + Carbón + GN >75% de la Matriz
Petróleo 100 años
Carbón 200 años
Pasivos Ambientales Efecto Invernadero
Capa de O3
Emisiones Atmosféricas
..........
DIVERSIFICACIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA
Hidroeléctricas (en agotamiento)
Eólica
Biomasa
Biogás Bio Metano
Nuclear (herencia de > 5.000 años)
Solar*
Energía fijada por la fotosíntesis
3 x1021 joules/año
0,1% de la energía solar recibida
10x la energía total utilizada
3 x 1020 joules/año
LUZ
DIVERSIFICACIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA
COMBUSTIBLES VEHICULARES*
Alcohol (Etanol y Butanol)
Gas Natural
Hidrógeno
Bio Metano
Electricidad
Biodiesel
*ecológicamente sustentables
COMBUSTIBLES VEHICULARES
Preferiblemente:
LÍQUIDOS
SÓLIDOS
DIVERSIFICACIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA
¿ POR QUE ÁRBOLES Y MICROALGAS
FIJAN CO2 ?
6 CO2 + 6 H2O + 6 O2 + Biomasa
• Ambas realizan fotosíntesis
MICROALGAS 70% del CO2 absorbido
Ventajas de las microalgas
• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
Ventajas de las microalgas
Ventajas de las microalgas• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
Ventajas de las microalgas• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
Ventajas de las microalgas• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
Ventajas de las microalgas• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
Ventajas de las microalgas• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
Ventajas de las microalgas• Calidad del suelo y área necesaria
• Capacidad de fijación:Árboles 1 – 3,5 ton/ha.añoMicroalgas 4,3 – 16,2 ton/ha.año
• Resultados inmediatos (años X horas)
• Ventajas operacionales:Árboles: 0,035% CO2 atmMicroalgas: 12% CO2 (resiste hasta 50%
CO2 )
• Biomasa aprovechable
• Control de Proceso
BIOTECNOLOGÍA DE MICROALGAS
¿ QUÉ SON LAS MICROALGAS ?
grupo heterogéneo de microorganismos que
realizan fotosíntesis
microscópicos
uni o pluricelulares
Con o sin núcleo
de evolución reciente o muy antiguos
que ocurren en medios acuosos (>95%)
Spirulina (Arthrospira)
Anabaena sp. Nostoc sp.
Scytonema sp. Stigonema sp.
Porphyridium sp.
Compsopogon sp.
Bangia sp.
EJEMPLO DE COSTOS
Astaxantina sintética: $1.000/kg
Astaxantina a partir de técnicas biotecnológicas (microalgas): $30/kg
¿ Como hacer Biodiesel de Microalgas ?
Biodiesel: “FÁCIL”
Reacción de sustancias grasas
con alcoholes de cadena corta.
¿ Como Cultivar Microalgas ?
¿ Que hacer con la Biomasa “Residual” ?
¿ Cómo volver el Proceso Viable ?
Biorrefinaria de Microalgal
Absorción del
CO2
Energía Solar Extracción
Química
fina
Alimentación
Humana
Alimentación
Animal
Biofertilizante
Energía
Oxígeno
Biogás
BioEtanol
BioButanol
Gasificación
Producción de
Hidrógeno
EsterificaciónLípidos
Fermentación
Alcohólica
CO2
Combustión
Cultivo de
Microalgas Biodiesel
Gas de
Combustión
Aguas
Residuales
Residuos
Industriales
Domésticos
Agroindustriales
Aire
Gas
Carbónico
Nutrientes
Piscicultura
Agua
Tratada
Biomasa
Microalga
Digestión
Anaeróbica
“Residuo”
BIORREACTORES PARA EL CULTIVO DE
MICROALGAS
Biorreactores para el cultivo de microalgas
Sistemas abiertos Tanques alargados raceways
Tanques circulares
Sistema en cascada
Sistemas cerrados Fotobiorreactores tubulares
Earthrise, California
Cyanotech, Hawaii, USA
Sistemas abiertos
Israel
Producción de Chlorella en Japón
Granja de Flamant Vert Spirulina - Ecuador
Sistemas abiertos
Parry Ltd., Tamil Nadu
Fotobiorreactor cerrado tipo columna(Italia)
Fotobiorreactor cerrado tipo tubular(España)
Sistemas cerrados
FOTOBIORREACTORES DE COLUMNA - LEB
Alemania
Casi 1.000 km de tuberías
GREEN FUEL Technologies Corp.
Fotobiorreactor tubular para
la captura de Nox y CO2 para
la producción de biodiesel.
“GREEN FOOL”
Definición del Proceso y del Biorreactor
área disponible
tipo de microalga
disponibilidad de inversión
costos con energía, agua, nutrientes y tierra
clima temperatura y luminosidad
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
A PARTIR DE MICROALGAS
BIODIESEL
Combustibles renovables
biodegradablesambientalmente correctos.
Mezcla de esteres metílicos o etílicos de
ácidos grasos.
En el caso de Brasil, las características son
reguladas por la ANP (Agencia Nacional del
Petróleo)
Biodiesel: FÁCIL
Reacción de sustancias grasas
con alcoholes de cadena corta.
Esterificación
Catalizadores
NaOH; KOH; HCl; H2SO4; SnCl2; ZnCl2 ; I2; Enzimas
Agua
OCH2CH3C
O
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7OHC
O
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7 + CH3CH2OH + H2O
Ácido Graso BiodieselEtanol
catalizador
Transesterificación
CH2
CH
CH2
HO
HO
HO
+
OCH2
OCH
CnH2n+1 C
O
OCH2
C
O
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7
C
O
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7
OCH2CH3C
O
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7
OCH2CH3C
O
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7
CnH2n+1 C
O
OCH2CH3
+ 3 CH3CH2OH
Etanol Biodiesel GlicerolTriacilglicerol
catalizador
Fuente kg/ha-año
Palma 5.000
Higuerilla 1.188
Canola 1.000
Girassol 800
Maní 890
Soja 375
Nannochloropsis ocullata 35.000
Thalassiosira fluviatilis 165.000
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
BIOMASA DE ALGAS
Microalgas utilizadas: Chlorella
Navicula
Spirulina
Tetraselmis
Oscillatoria
Scenedesmus
Microactinium
Nannochloropsis
Skeletonema
Platymonas
Flujograma para la obtención de biodiesel de microalga
Producción de Biodiesel de microalgas
Lipid fration of microalga (A e B), Biodiesel of soya (C) and
Biodiesel of microalga (D).
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
A PARTIR DE MICROALGAS
FURG - PETROBRÁS
Contrato – 0050.0016995.05.2 - RA003
2006 - 2009
leblaboratório deengenharia bioquímica
SÚPER INTERESANTE SET/2008
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
A PARTIR DE MICROALGAS
FURG – CGTEE – UPF – Fundação ZERI
Edital MCT/CNPq/MPA - Nº 26/2008
“Tecnologias para produção de biodiesel a partir de microalgas”
leblaboratório deengenharia bioquímica
BioOilBRASIL
• Presentar: Un proyecto tecnológico innovador con énfasis para el
sector de producción de caña de azúcar, aplicando el conocimiento
de Bio-refinerías.
• Pretende: Producir biocombustibles de segunda y tercera
generación.
Objetivos
Países que cubren las patentes:
USA; Canadá; Japón; Australia; EU; India;
México; Caribe; Nueva Zelandia; África del Sur,....
Propiedades del bioaceite de algas en comparación con el aceite
combustible BPF derivado de petróleo
Propiedades Aceite de
Biomasa
De Algas
OF M 27
Aceite Combustible
BPF (tipo A)
Densidad aparente (kg/m3) 945 970
Viscosidad Cinemática (mm2/s) 189 620 (Máx)
Punto de inflamación Min. 0C 79 66oC (Min)
H2O y Sedimentos (%Volumen) 1,69 2% (Máx)
Contenido de azufre 0,49 2,50% (Máx)
Poder Calórico Inferior Kcal/Kg 8429 9600
BioOil-Algalescala piloto...
Cultivo de Spirulina em
estufa de hidroponia
Bioaceites
Biodiesel de
microalga
Aceite bruto de
microalga
Harinas
Harina sin grasas
PHB
Mapa de las Principales Culturas Oleaginosas
en Costa Rica
Palma aceitera
La Higuerilla
Piñón
Sacha Inchi
Definición del Local para Cultivo de Microalgas
Conocimiento de la topografía local
Área disponible
Temperatura
Luminosidad
Agua
Regímenes de lluvia
Nuevo Mapa de las Culturas Oleaginosas
en Costa RicaPalma aceitera
Higuerilla
PiñónSacha Inchi
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
Brillo Solar, Promedio Anual por
Región.
Fuente: IMN, 2010
Brillo Solar, Promedio por Región
Fuente: IMN, 2010
Definición del Local para Cultivo de Microalgas
Conocimiento de la topografía local
Área disponible
Temperatura
Luminosidad
Agua
Régimen de lluvia
Pacífico Norte (Zona de Guanacaste)
Brillo solar promedio = 7,1 h/día de luz directa, con picos de hasta 10h.
Temperatura promedio anual = entre 26 y 33 °C
Precipitación anual = entre 1.500 y 2.000 mm
Altitud promedio = 50 msnm
Nuevo Mapa de las Culturas Oleaginosas
en Costa RicaPalma aceitera
La Higuerilla
Piñón
Sacha Inchi
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
xxxxxxxx
MICROALGAS
¿ Que hacer con la Biomasa “Residual” ?
BIOENERGÍA
Biodiesel
BioEtanol
BioMetano
BioButanol
BIOMASA DE MICROALGAS - Biocombustibles
Quema
Directa
BIOMASA
Hidrogeno
BIOMASA
Alimento
RaciónTratamiento de
Residuos
BioPolímeros
Fertilizante
BIOMASA DE MICROALGAS - utilización
Biosurfactante
PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS DE MICROALGAS
PROCESO AUTO SUSTENTABLE
BIOPOLÍMEROS DE MICROALGAS
POLI 3-HIDROXIBUTIRATO (PHB)
Biopolímero, biodegradable y biocompatible;
Atóxico;
Insoluble en agua;
Producido a través de recursos renovables;
Poliéster;
Utiliza 10% de la energía necesaria para el PP
POLI 3-HIDROXIBUTIRATO (PHB)
Propiedades termoplásticas, característicasfísicas y mecánicas semejantes a las delpolipropileno.
Precio de venta: entre 4 y 5 mil US$ por tonelada (mercado internacional)
POLI 3-HIDROXIBUTIRATO (PHB)
Aplicaciones
Producción de embalajes, fármacos,...
Sustitución de plásticos petroquímicos
convencionales;
Área médica:
materiales ostiosintéticos y suturas quirúrgicas;
matriz para liberación lenta de drogas, hormonas.
Fabricación de bienes descartables;
Embalajes;
Tecnología de Extrusión, Termo formaje y Fibras
PRODUCTORES
MONSANTO
BAYER
I.C.I.
RHODIA
DUPONT
BASF
EASTMAN
METABOLIX
NOVAMONT
..........
Funte: CETEA/ITAL
APLICACIONES
Funte: PHB Industrial
APLICACIONES
Embalajes de cosméticos Espumas
Fibras / Poliuretanos
Lapiceros y Pilots
Repuestos Automotrices
OTRAS APLICACIONES DE PHB
Mezclas posibles:
Co-poliésteres, PLA, PCL, polvo madera, almidón, sisal,..
PRODUCCIÓN DE PHB
Proceso tradicional: bacterias + azúcar
Alto costo de producción en comparación a los
plásticos petroquímicos: substrato y extracción
SOLUCIONES
1. Sustratos de bajo costo: más de 40% de
economía en el proceso de producción de PHB
2. Proceso de extracción viable económicamente
1. Sustratos de bajo costo
Cultivo de microalga
Sustrato inorgánico: bicarbonato o CO2
Extraer aceite para producir biodiesel
Extraer el PHB de la Biomasa Residual
2. Proceso de extracción
Una técnica de extracción del PHB reduciendo la
cantidad de solventes, usando solventes de bajo
costo, reduciendo etapas del proceso y volviendo el
proceso menos contaminante es necesario para
volver la utilización de ese polímero en mayor
escala viable económicamente.
MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN
La mayoría de los procesos usa solventes
orgánicos como Cloroformo, Metanol, Carbonato
de Propileno, Carbonato de Etileno y Dicloroetano
GRANDES CANTIDADES DE SOLVENTE
UTILIZADAS (generalmente alrededor de 1:100,
biomasa : solvente)
MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN
ICI (Imperial Chemical Industries) extrae el PHB de
bacterias a través de tratamiento térmico, seguido
de digestión enzimática y lavado con surfactante
ALTO COSTO DE ENZIMAS
MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN
Patente PI 9302312: método de extracción con
alcohol isoamilico y carbonatos cíclicos
CARBONATOS EXTREMAMENTE CAROS CON
PUNTO DE EBULLICIÓN MUY ELEVADO
(extracción por arriba de 100°C), IMPLICANDO EN
ALTO CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA
EXTRACCIÓN
MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN
MONSANTO: Patente EP 0145233 proceso de
extracción de P3HB utilizando enzimas y/o
surfactantes
COSTO ELEVADO DE LA ENZIMA (1% DE LA
MASA SECA DE CÉLULAS), DEL SURFACTANTE Y
DE LOS SOLVENTES EMPLEADOS
MÉTODOS COMERCIALES DE EXTRACCIÓN
Método in sito con dodecilsulfato de sodio,
calentamiento a 90°C por 2h, centrifugación,
lavado, tratamiento con HCl, extracción con
acetona y éter dietil
MUCHAS ETAPAS DE PROCESO, MUCHOS
SOLVENTES CAROS
MÉTODO DE EXTRACCIÓN DE PHB
DESARROLLADO POR JORGE A. VIEIRA COSTA
UTILIZACIÓN DE TAN SOLO 1 O 2 COMPUESTOS
QUÍMICOS DE BAJO COSTO DILUIDOS EN AGUA
UNA ÚNICA ETAPA DE EXTRACCIÓN
TIEMPO PROMEDIO DEL PROCESO: 3 - 5 HORAS
REDUCCIÓN DEL 88% DE LOS COSTOS CON EL
PROCESO
PRODUCTO CON ALTA PUREZA Y ATÓXICO:
UTILIZADO EN ESTUDIOS CON CÉLULAS TRONCO
Estudar o aproveitamento biotecnológico do
dióxido de carbono e de óxido de nitrogênio
através do cultivo de microalgas, e a partir da
biomassa microalgal, obter biopolímeros para o
desenvolvimento de nanofibras.
Microscopia electrónica (SEM), sobre aumento de 22.000 veces.
BIODEGRADACIÓN
Degradación de frascos de P(3HB-co-3HV) en agua de alcantarilla
BIODEGRADACIÓN
BIOPOLÍMEROS DE MICROALGAS: estudio a gran
escala
BIOPOLÍMERO
BIOPOLÍMERO PHB – SCALE UP
OTROS BIOCOMBUSTIBLES DESARROLLADOS
BioEtanol
Biogás
Biometano
Briquetes de Microalga (Biocarbón)
TECNOLOGÍAS EN DESARROLLO
BioButanol
Hidrógeno
¿¿ Existen aplicaciones prácticas de ese proceso con MICROALGAS ??
El Planeta Tierra hace mil millones de años
Composición básica de la atmosfera:
CO, CO2, O2, H2, N2 y vapor de agua
¿¿ QUIEN HIZO ESA “LIMPIEZA” ??
21% O2
79% N2
< 300 ppm CO2
Aplicación mas práctica, IMPOSIBLE !!!!!
leblaboratório deengenharia bioquímica
Estructura Física
Laboratorio principal (240m2)
Invernadero externo (20m2)
CEAS - Centro de Alimentos Enriquecidos con Spirulina (250m2)
Unidad Santa Vitória do Palmar 16ha
300 m2 invernadero
80 m2 laboratorio
Laboratorio de Microalgas CGTEE (70m2)
Planta Piloto de Biofijación CGTEE (6.000m2)
Aliados• Copesul / Braskem
• Petrobrás S.A.
• Refinaria de Petróleo Ipiranga S.A.
• Eletrobrás S.A.
• CGTEE – Companhia de Geração Termo Elétrica S.A.
• International Network for Biofixation of CO2 and Greenhouse
Gas Abatement with Microalgae
• IMCOPA S.A.
• CTC – Centro de Tecnologia Canavieira
• AFASA – Indústria de Plásticos Ltda
• Fundação ZERI Brasil
Jorge Alberto Vieira Costa, Coordinador
5 profesores: Michele Morais; Michele Andrade; Lucielen;
Elisangela; Ana Priscila
2 Pos-Doctores: Adriano y Célia
12 Estudiantes de Doctorado: Lisiane, Shana, Cristiane,
Denise, Thaísa, Renato, Roberta, Sabrina, Ana Cláudia,
Bárbara, Gisele y Roque
10 Estudiantes de Maestría: Gabriel, Luiza, Joice, Bruna,
Pamela, Juliana, Krisseli, Etiele, Jéssica, Caroline
2 Técnicos: Roque Zilio; Mara
20 Estudiantes de Graduación
LEB y CEB mas que 1.000 m2
Equipo
