TAZ-TFM-2015-618


Caracterizacion del cultivo semicontinuo de la microalga oleaginosa Scendesmus Obtusiusculus

Gorry, Pierre-Louis
Moreno Gómez, Francisco (dir.) ; Morales Ibarria, Marcia (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2015
Ingeniería Mecánica department, Máquinas y Motores Térmicos area

Máster Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética

Abstract: El continuo aumento en la demanda de energía a nivel mundial dirigirá a una crisis energética debido a la disponibilidad limitada de combustibles fósiles. Más aún, el uso de esta fuente de energía es la responsable de la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera y se le asocia a varios efectos negativos sobre el ambiente. Por lo tanto, es necesario investigar sobre fuentes alternas de energía que sean renovables y ambientalmente amigables a partir de los cuales se generen combustibles carbono neutros. Las microalgas son organismos fotosintéticos que utilizan el CO2 de la atmósfera o de alguna fuente fija contaminante para generar algunos combustibles como hidrógeno, bioetanol, biogás y biodiesel. El hidrógeno puede producir a partir de la fotólisis directa, tanto el etanol como el biogás pueden generarse a partir de procesos de fermentación o digestión anaerobia de la biomasa de las microalgas y el biodiesel a partir del aceite que producen algunas especies de microalgas. Los lípidos de las microalgas son similares a los aceites vegetales y se han sugerido como fuentes potenciales de biodiesel. Los triacilglicéridos de las microalgas pueden convertirse a biodiesel y son renovables, biodegradables y menos contaminantes comparados al diesel del petróleo. Algunas especies de microalgas son capaces de producir entre 15-300 veces más aceite para la producción de biodiesel que los cultivos tracionales si se compara sus productividades por unidad de área (Chisti, 2007). Las microalgas tienen tiempos cortos de cosecha (1-10 dias dependiendo de la especie de microalga y del proceso) permitiendo cosecha continua con rendimientos de biomasa altas. De esta manera, se considera que las microlalgas son una fuente de energía sostenible que puede reducir la dependencia de los combustibles fósiles. A pesar de que las espectativas sobre los combustibles a partir de microalgas son altas son necesarios estudios sobre los sistemas de producción que permitan incrementar la productividad de estos sistemas y para reducir los costos.Este trabajo se centra en las etapas del cultivo y cosecha de una alga oleaginosa, Scenedesmus obtusiusculus en un sistema operado a la intemperie bajo un regimen que permitirá la cosecha continua de biomasa. En el grupo de investigación sobre combustibles a partir de microalgas de la UAM-C se cuenta con una microalga oleaginosa que fue aislada de Cuatro Ciénegas Coahuila y que fue identificada como Scenedesmus obtusiusculus [39]. Esta microalga es capaz de acumular hasta 50% de aceite cuando se encuentra bajo limitación de nitrógeno. Entre los sistemas de cultivo empleados se tienen columnas de burbujeo y de placas planas donde se han obtenido productividades lipídicas entre 200-340 mg L-1 d-1 [51] y fotobiorreactores airlift operados a la intemperie [52]. El máximo de biomasa reportado para esta cepa es de 6 g L-1 en condiciones de laboratorio y hasta 5.2 g L-1 en un reactor airlift de lazo extendido. La cepa tiene un gran potencial por su alta capacidad de acumulación de aceites y que además puede resistir altas concentraciones de CO2 (15%), su óptimo de temperatura está en alrededor de 35oC y puede operar en condiciones a la intemperie. Sin embargo todos los ensayos realizados a la fecha han sido en sistemas de cultivo que operan en lote. La operación en semi-continuo es importante ya que permitirá tener una cosecha continua de microalga y evitar el colapso que sufren los sistemas cuando se tienen altas concentraciones de biomasa debido a la dificultad para la baja penetración de luz. Bajo este regimen de operación será importante además contar con un sistema eficiente de recuperación de biomasa para permitir su posterior procesamiento. Objetivo general Scenedesmus obtusisculus y realizar un balance de energía del dicho proceso Objetivos específicos • Determinar las tasas de generación de biomasa de la microalgas en un fotobiorreactor de burbujeo • Implementar un sistema acoplado de cultivo de microalgas para su operación en semi-continuo • Caracterizar la operación del sistema bajo condiciones de crecimiento y limitación de nitrógeno para • Realizar balance de energía. Actividades Las actividades a realizar serán: 1) Familiarización del trabajo experimental en el laboratorio Caracterizar un sistema de producción en semi-continuo de la biomasa microalgal de la cepa operado a la intemperie incluyendo la etapa de fotobiorreactor y recuperación de biomasa. fomentar la acumulación de lípidos. 2) Revisión del estado del arte en cuanto a las investigaciones sobre microalgas y del grupo de 3) Operación el sistema en los regímenes de operación en lote 4) Implementación un sistema de operación en semincontinuo a. Microbiología (cultivo y propagación de los cultivos) b. Métodos analíticos (técnicas de cuantificación de biomasa, proteina, lípidos, nitratos, pH, cromatografía de gases) c. Fotobiorreactor • Identificación de las diferentes partes del sistema de cultivo • Sistema de adquisición de datos (para la captura de datos, O2 disuelto, pH, CO2 disuelto, intensidad luminosa, etc) • Identificación de parámetros de operación importantes • Monitoreo y muestreo de la biomasa investigación a. Determinar las tasas de crecimiento de la biomasa b. Determinar las tasas de dilución a emplear c. Operación del sistema bajo limitación de nitrógeno para fomentar la acumulación de lípidos a. Acoplar sistemas de alimentación continua de medio de cultivo b. Acoplar sistema sedimentación c. Integración de las diferentes etapas 5) Caracterización la operación del sistema en semicontinuo (fotobiorreactor-sedimentador) 6) Realización de un balance de energía/costeo para establecer etapas críticas y puntos de mejora del proceso Una vez que se encontró la tasa de dilución óptima el FBR se trabajó en continuo a ese flujo dealimentación de 13 mL/min se logró mantener la concentración de biomasa constante a la salida del reactor, lo cual significa que la tasa de crecimiento de la biomasa y la tasa de dilución son iguales y por tanto el sistema se encuentra en estado estacionario. Se obtuvo resultados parecidos al [52]. Bajo estas condiciones es necesario implementar un sistema que permita la continua recuperación de biomasa .En el esquema 6 se muestra un esquema teórico que integra la parte de producción y recuperación de biomasa. La parte de producción incluye los puntos 1, 2, 3, 4, 5 y 12 y la de recuperación todos los demas puntos. Este esquema servió de base para el planteamiento del balance de energía que se presenta en la sección 6.5. La sedimentación es un proceso relativamente eficaz en término de remoción de la microalga (hasta 80%). el diseño del sedimentador ocupa un lugar importante: es necesario realizar un diseño que evite la acumulación de la microalga al fondo del sedimentador en el fin de evitar de tener que parar el sedimentador para recuperar la microalga. Como ya hemos visto se requiere un mayor conocimiento sobre la microalga ya que según las condiciones del cultivo y la edad de la microalga afectan la velocidad de sedimentación de esa misma cuya afecta directamente la eficiencia de separación del sedimentador. También puede ser interesante el estudio de los pulsos de pH en el fin de favorecer la sedimentación. El agua residual se podría reusar para alimentar otro cultivo. De los otros problemas encontrados durante los experimentos son: la acumulación del oxígeno producido por la biomasa tapaba las tubería, en peculiar la salida del concentrado del sedimentador tenía ese problema ya que el flujo estaba muy bajo y la salida de un diámetro pequeño. Esos problemas se pueden resolver de manera simple usando mangueras obscuras para no dejar pasar la luz y envolver el sedimentador o construirlo con materiales no transparentes (ver también Anexo 4). Luego se realizo experimentos de acumulacion de lipidos con pH inicial de 5,5 y otro sin modificacion del pH inicial pero con pulso de pH a un cierto tiempo del experimento. al parecer, el experimento de acumulación con pulso sería más eficiente. Pero esdifícil de sacar una conclusión cierta. Habría que realizar otros experimentos en limitación a la intemperie con pulso y con pH=5,5 desde el inicio para varias concentraciones. Para concluir, la caracterización del cultivo en continuo permite confirmar la factibilidad de una tal proceso para las microalgas en fotobioreactor. Lograr un proceso continuo para la microalga permite de reducir drásticamente el consumo específico en energía de la biomasa. Usando equipos adaptados (bombas, compresor) se podrá disminuir el coste de cultivo. Los procesos de pre-concentración presentan un gran interés porque permiten reducir el coste de recuperación de la biomasa. En particular la sedimentación es un paso importante ya que no consume energía y permite de reducir por mucho el costo de producción de la biomasa. El trabajo realizado nos enseña la importancia de estudiar la sedimentación: la microalga por ser un ser vivo se adapta a su medio y a los cambios de las condiciones externas y su velocidad de sedimentación. Una configuración de sedimentador sencilla con placas nos permite lograr factores de ahorro de energía interesante. Las posibles mejoras del sedimentador son en primer lugar la salida de la biomasa que debe evitar su acumulación al fondo del sedimentador. Se podría combinar al sedimentador una cámara de mezcla con pulso de pH o combinar la sedimentación a otros tipos de procesos de separación tal como la electro-floculación o podemos imaginar la combinación de un proceso de electrolisis y un sedimentador para recuperar directamente los lípidos. El estudio de la acumulación de lípidos a la intemperie nos permite de constatar la dificultad de la simulación para la acumulación. Con el fin de producir biodiesel, la acumulación de los lípidos es un punto importante. Ahora, queda a llevar los experimentos al paso siguiente: pasar a un cultivo continuo en acumulación. De una parte hemos visto a través de ese trabajo que el cultivo y la recuperación de la biomasa son procesos que consumen mucha energía. La combinación de varios métodos (sedimentación, centrifugación con flujos altos) permite de reducir el consumo de energía y en consecuencia el coste de producción. Con esos mejoramientos, la producción de microalga y de los lípidos se acerca del coste de producción del petróleo. De otra parte, la simulación en EES puede ser llevada a algo más completo en el fin de estudiar varias condiciones y encontrar el punto económico óptimo de consumo de energía y de producción de biomasa. El desarrollo poco a poco de modelos de consumo por medio de un software va a permitir de establecer un modelo cada vez más complejo, tomando en cuenta cada más parámetros tantos del medio ambiente que del metabolismo de la microalga.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master

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