martes, 14 de abril de 2009

¿Cuál es la importancia de emplear microalgas para la producción de biocombustibles y para la fijación de CO2?

Marzo 18-2009)

Este blog va dirigido a estudiantes y profesionales del área de biotecnología, microbiología industrial y/o microbiología ambiental, ingeniería biológica, ingeniería de procesos, bioingeniería y a todos los interesados en conocer sobre la biotecnología empleada en la producción de biocombustibles a partir de algas y sus procesos.
El objetivo de este blog es dar a conocer las capacidades de las microalgas para la producción de biocombustibles mediante procesos biotecnológicos, que conllevan a realizar efectiva la fijación de CO2.
Para lo cual también nos hemos propuesto fomentar una cultura de investigación, promover conocimiento en aspectos biotecnológicos y los métodos de desarrollo de procesos de microalgas y sus usos.
CONTENIDO
DESCRIPTORES:

Microalgas- Biocombustibles- CO2- Biotecnología

CALIFICADORES:

Importancia – Utilidad - Producción – Fijación.

RECURSOS

FÍSICOS

- Revistas.
- Bibliotecas.
- Metabuscadores.
- Base de datos multidisciplinaria.
- Internet.

HUMANOS

Profesionales y especialistas en el área de Microbiología Industrial y/o Ambiental, Biotecnología, Ingeniería Biológica, Ingeniería de Procesos y Bioingeniería.
BIBLIOGRAFÍA
  • Fabregas Casal, Jaime. Las Microalgas como eslabón en la microbiología marina: Aislamiento, caracterización, ciclo celular, interacciones y aprovechamiento tecnológico. Enero 1982. Santiago. Universidad de Santiago. Facultad de Biología. Páginas 5 y 9.
  • Dogpile.
  • Google School.
  • Scirus.
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viernes, 10 de abril de 2009


DEFINICIÓN DE ALGAS Y MICROALGAS




LAS ALGAS

Las algas son microorganismos polifiléticos, de muy variada morfología y fisiología, en su mayoría son fotosintéticos (Proceso fundamental de transformación de energía radiante en energía química utilizando carbono, hidrógeno, oxigeno y otros elementos menores como materiales de construcción de los edificios moleculares orgánicos dotados de un determinado potencial de energía química) derivados de las cianobacterias, y producen oxigeno como subproducto de la fotosíntesis. Las algas tienen un núcleo dentro de una membrana envolvente y cloroplastos en una o varias membranas. Sus formas van desde unicelulares a multicelulares.
Algunas especies unicelulares dependen por completo de las fuentes de energía externas y tienen poco o ningún aparato fotosintético.

Son de agua dulce y salada, terrestres y subterráneos, algunos son neustonic (que viven en la interfase entre la atmósfera y el agua). Las algas viven en diversos protozoos y dentro de otras plantas, viven también en el suelo y sobre la superficie del suelo, en la antartida y en las rocas.
Las algas producen metabolitos secundarios en altas concentraciones y esto los hace atractivos para la producción de varios productos.

Las algas son habitantes comunes y normales de aguas poco profundas y se encuentran en todo suministro de agua expuesto a la luz del sol. Aunque algunas algas se encuentran en el suelo y en superficies expuestas al aire, en su gran mayoría son verdaderamente acuáticas y crecen sumergidas en el agua de estanques, lagos, depósitos, corrientes y océanos. Además, tienen importancia por muchos motivos, entre los cuales se cuenta su capacidad para modificar el pH, la alcalinidad, el color, la turbiedad y, últimamente, por su influencia sobre la radiactividad del agua.





LAS MICROALGAS

Las algas microscópicas fueron las primeras formas de vida en nuestro planeta. Son responsables de la fijación de cantidades masivas de dióxido de carbono, producción y mantenimiento del oxígeno de la atmósfera, lo que ha permitido el florecimiento milagroso evolutivo de todas las formas de vida superior.

Las microalgas son microorganismos que comprenden pequeñas formas vivas, donde no está implícita la división entre animal y planta. Estos microorganísmos son de importancia primaria, ya que las microalgas o fitoplancton son eslabones determinantes de la cadena trófica, y sin las cuales la vida no sería lo que es.

El mar soporta a esta vasta población de microorganismos que nadan o flotan en los diferentes estratos del agua y son independientes del fondo. Aunque mantienen alguna forma de movimiento, no pueden llevar a cabo migraciones activas, ni horizontales ni en contra de las mareas o corrientes. Estos microorganismos flotantes comprenden la bien conocida comunidad del Plancton, cuya parte de éste contiene clorofila y realiza la fotosíntesis.

La productividad primaria depende del crecimiento de estas microalgas. Guardan la energía solar y la convierten en energía biológica, que se utiliza en su mayor parte como alimento para los organísmos de segundo nivel.
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PRODUCCIÓN DE MICROALGAS MEDIANTE PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS.

*“La universidad de Alicante ha desarrollado un prototipo de fabricación de biocombustible a partir de algas cuya viabilidad en términos de producción y rentabilidad económica y medioambiental ha sido demostrada.

El Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada, muy activo en el estudio de las algas como materia prima biomásica y como captadores de CO2, ha obtenido unos óptimos resultados, la producción podría ser 400 veces superior a cualquier otro biocombustible de los utilizados en la actualidad, siendo estas algas, además, una fuente de energía inagotable y no contaminante.

La obtención de biocombustibles con algas no emite ni azufre, ni dióxido de carbono, sino que lo absorbe, ya que estos organismos necesitan el CO2 para vivir. El sistema propuesto contribuye, así, a paliar el efecto invernadero y a restablecer el equilibrio térmico del planeta.

Los biocombustibles de segunda generación, como los producidos a partir de aceite de algas, son en este momento una de las opciones con más futuro para la sustitución del petróleo. Este tipo de biocarburantes se fabrican a partir de materias primas no aptas para la alimentación por lo que se elimina el inconveniente de los de primera generación, que en la mayoría de los casos se elaboran a partir de plantas oleaginosas y cereales destinados a la producción de alimentos para personas y animales.”

El prototipo desarrollado recibió el nombre de “Airemar”, y es un aparato que “transforma el CO2 en combustible a partir del cultivo de microalgas marinas, que absorben el dióxido de carbono de la atmósfera y lo convierten en biomasa de la que se obtiene biocombustible. Este producto resultante se ha bautizado como biopetróleo.”




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USOS DE MICROALGAS

(Tomada de: http://www.biodieselspain.com/pics/algas_ampliada.jpg

Abril 10-2009)

  • En el reino marino, las microalgas poseen sostener la producción de un centenar de millones de toneladas al año de la pesca marina y una gran parte de la producción acuicola como pueden ser algas, moluscos, la cria de larvas, ya que estas se encargan de asegurar la estabilidad del suministro de los alimentos.

  • En la cuenca del mediterráneo, la cultura de algas se limita a la producción de microalgas como por ejemplo en criaderos de peces y moluscos, asi como algunas pequeñas explotaciones de microalgas.

  • El uso de microalgas marinas y de agua dulce, en las técnicas de inmovilización y de la biotecnología esta dispersa.

  • Los usos actuales de las microalgas inmovilizadas en un metabolito incluyen una producción, una manipulación de la cultura recogida, la obtención de la energía y la eliminación de sustancias indeseables o valiosos de los medios de comunicación como nutrientes, metales y los diferentes agentes contaminantes.
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DEFINICION DE BIOCOMBUSTIBLE

(Tomada de: http://www.elviajedeodiseo.com/blog/wp-content/uploads/2008/04/a_wbiofuels_04071.jpg Abril 5-2009)

El Biocombustible es el combustible que se deriva de la biomasa, que es la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado utilizado como fuente de energía. La producción de biomasa es una función dependiente de un mismo número de parámetros estrechamente relacionados con la fisiología celular.

Los combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Los biocombustibles más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiésel:

"El bioetanol , también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada." "El biodiésel se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser usados o sin usar. Para éste se suele usar raps, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito."

El biocombustible se produce por la transesterificación del aceite vegetal o grasa animal como materia prima. Existen varios métodos para llevar a cabo esta reacción de transesterificación común, incluido el proceso por lotes, métodos de ultrasonidos y microondas. Químicamente comprende una mezcla de mono-alquil ésteres de ácidos grasos de cadena larga, la forma más común utiliza metanol para producir ésteres metílicos.

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DEFINICIÓN FIJACIÓN CO2.

¿CÓMO SE DA LA FIJACIÓN DE CO2?



La Fijación de CO2 es un proceso que resulta de la fotosíntesis elaborada por las plantas, mediante el cual el dióxido de Carbono es absorbido y transformado en material orgánico o biomasa.

El Ciclo de Calvin es el método más común de fijación de carbono. Dicho Ciclo, también conocido como el Ciclo de Calvin- Benson o la “fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis”, consiste en procesos biológicos y químicos que se llevan a cabo en el estroma de los cloroplastos de los organismos que realizan fotosíntesis. Su nombre se debe a que fue descubierto por Melvin Clavin y Andy Benson de la Universidad de California Berkeley mientras trabajaban con los isótopos radiactivos del Carbono.

En la fotosíntesis se presenta una fase conocida como luminosa o fotoquímica, donde la energía lumínica se almacena en moléculas orgánicas sencillas e inestables, que aportan energía para efectuar el proceso (ATP) y tienen la capacidad de donar electrones (poder reductor) a otra molécula como nicotín –amida dinucleótido fosfato o NADPH+H*.

“En el Ciclo de Calvin se integran y convierten moléculas inorgánicas de dióxido de carbono en moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se formará el resto de los compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos. Este proceso también se puede, por tanto, denominar como asimilación del carbono.”

En el Ciclo de Calvin- Benson la primera enzima que participa y que logra fijar el CO2 de la atmósfera uniéndolo a una molécula orgánica, la ribulosa-1-5-bisfosfato, es llamada o conocida como RuBisCO (siglas de Ribulosa Bisfosfato Carboxilasa- Oxigenasa)
“Para un total de 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometría final del ciclo de Calvin se puede resumir en la ecuación:

6CO2 + 12NADPH + 18 ATP → C6H12O6P + 12NADP+ + 18ADP + 17 Pi

que representaría la formación de una molécula de azúcar-fosfato de 6 átomos de carbono (hexosa) a partir de 6 moléculas de CO2. ”

El Ciclo de Calvin-Benson presenta tres fases: Fijación de CO2, Reducción y Regeneración; de las cuales prestaremos mayor atención a la primera pues es la más relacionada con la Fijación de CO2.

En la primera fase, la de la Fijación de CO2, “la RuBisCO cataliza la reacción entre la ribulosa bisfosfato (una pentosa, es decir un monosacárido de 5C, RuBP) con el CO2, para crear 1 molécula de 6 carbonos, la cual al ser inestable termina por separarse en 2 moléculas que contienen 3 átomos de carbono cada una, el fosfoglicerato (PGA). La importancia de la RuBisCo queda indicada por el hecho de ser el enzima más abundante en la naturaleza.”
La siguiente imagen nos ilustra el Ciclo de Calvin- Benson.

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PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS
(Tomada de: https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiLvwxC8dg4ug3Ct8hPtSDP-n5slBkvB77VFKV4hNWw4VX2-eV-ch2xpoAFjyQlJ6d-6XsyNwwKptEg0JI3NA7QMVZ57HMcNtl_hAc9zjxyzTDUCLlG0_xdpezjVoCGmpqFzI4BbGA8jTQ/s320/2244-Lab%2520microalgas%25202.jpg Abril 10-2009)


Las microalgas tienen un gran potencial como fuente renovable de biocombustibles, esto se desarrolla debido a su rápido crecimiento y la ausencia de necesidad de tierras fértiles y de agua dulce para su cultivo que son dos de los principales inconvenientes que presenta la producción de biocombustibles a partir de cultivos energéticos terrestres, las microalgas pueden duplicar su masa varias veces al día y pueden superar en más de 15 veces la producción de biocombustible por hectarea que esta es obtenida con cultivos energéticos terrestres tradicionales como la colza, la palma o la jatophra.
Las microalgas son impulsadas por la luz del sol para darle la capacidad a las células de convertir el dióxido de carbono en los posibles biocombustibles. Esto se debe a que las fuentes renovables de carbono orgánico necesario para el cultivo de microorganismos heterótrofos se producen en última instancia por la fotosíntesis, por lo general en las plantas de cultivo. Además, estos microorganismos fotosintéticos son útiles en la biorremediación de aplicaciones.
Éstas parecen ser la única fuente de biocombustible que tiene el potencial completo para desplazar el diesel fósil.
El aceite producido por las microalgas son muy deseados para la producción del biocombustible.
La producción de la biomasa a partir de microalgas son más costosos que los otros cultivos, ya que para que se de la fotosíntesis se requiere de luz, dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas. La temperatura debe permanecer entre los 20 y 30ºC. en general. Para reducir estos gastos la producción de biocombustible debe realizarse libremente en la exposición de la luz del sol.
Un medio de cultivo debe proporcionar los elementos inórganicos que constituyen las células de las algas. Estos elementos fundamentales son: Nitrógeno, Fósforo, Hierro y en algunos casos Silicio.
Para conocer los requerimientos nutricionales mínimos se utiliza la siguiente fórmula molecular aproximado de biomasa de microalgas:
CO: 0.48 - H: 1.83 - N: 0.11 - P: 0.01
Nutrientes como el fósforo, se presentarán significativamente en el exceso de fosfatos por el añadido con los complejos con iones metálicos, por lo tanto, no todos los P es el valor añadido biodisponible.
La biomasa de las microalgas contiene aproximadamente el 50% de carbono por peso en seco. El dióxido de carbono debe ser alimentado continuamente durante las horas del día. La producción de biocombustible puede utilizar algunas de las emisiones de dióxido de carbono que se libera en las plantas de energía por la quema de combustibles fósiles.
Lo ideal sería que con las microalgas, el biocombustible estaría neutro de carbono, como todo el poder necesario para la producción y el procesamiento de las algas que proceden del biodiesel en sí, como por metano producido por la digestión anaeróbica de la biomasa de residuos abandonados después de que el aceite ha sido extraido. Pero a pesar de que con las microalgas el biocombustible puede tener un carbono neutral, no dará lugar a cualquier reducción neta de emisiones de dióxido de carbono que se va acumulando como consecuencia de la quema de combustibles fósiles.
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ANÁLISIS FINAL DE LAS CAPACIDADES DE LAS MICROALGAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE MEDIANTE PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS, QUE CONLLEVAN A LA EFECTIVA FIJACIÓN DE CO2

(Tomada de: http://www.mgar.net/mar/images/algas.jpg Abril 10-2009)


*El potencial de las microalgas como fuente de biocombustibles y como una solución tecnológica para la fijación de CO2 es ahora objeto de una intensa investigación académica e industrial.

En la perspectiva de la creación masiva de las culturas, la gestión de grandes cantidades de biomasa residual y el elevado importe de los fertilizantes debe ser considerado. La digestión anaeróbica es un proceso clave que puede resolver esta cuestión de los residuos, así como el balance energético y económico de esta prometedora tecnología.

Es por eso que la conversión de la biomasa de las algas después de la extracción de lípidos en el metano es un proceso que puede recuperar más energía.

Pero como no es perfecto, también existen varios obstáculos con el uso de las microalgas, como lo es la baja biodegradabilidad en función de la composición bioquímica y la naturaleza de la pared celular. El alto contenido de proteínas celulares resulta en la liberación de amoníaco, que puede conducir a la toxicidad potencial. Igualmente la presencia de sodio para las especies marinas también puede afectar el redimiento de su digestión.

Por esta razón es necesario realizar una serie de procesos, como el pretratamiento físico-químico, la codigestión o el control de la composición de los ingresos brutos son estrategias que pueden aumentar considerablemente y de manera eficiente la conversión de la producción de algas de materia orgánica en metano; cuando la célula del contenido en lípidos no exceda del 40% , la digestión anaeróbica de la biomasa en su conjunto parece ser la estrategía óptima en un balance energético, para la recuperación de la biomasa celular.


*Las algas constituyen los principales productores en la cadena alimentaria acuatica, según las predicciones de la FAO indican un rápido y sostenido crecimiento mundial de la producción de las algas en las próximas décadas.

El cultivo de algas se puede ubicar en zonas de costa o en biorreactores que no compiten con aquellas tierras aptas para la agricultura alimentaria, ya que éstas poseen un potencial para absorber o capturar CO2, necesario para el crecimiento de las algas emitido directamente desde las instalaciones industriales.
* La idea de usar microalgas como fuente de combustible no es nueva, pero ahora se están adoptando gravemente a causa de la escalada del precio del petróleo y, más significativamente, la preocupación por el calentamiento global que esta asociada por la quema de combustibles fósiles.

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ACTUALIDAD DE LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE A PARTIR DE MICROALGAS
(Tomada de: http://www.biodisol.com/wp-content/uploads/2008/08/congreso_sobre_cultivo_de_algas_para_la_produccion_de_biocombustibles_en_alicante.jpg Abril 5- 2009)


El ACV (Método de evaluación del Ciclo de Vida) ha sido utilizado para identificar y cuantificar las emisiones de energía renovable producida por la biomasa de microalgas al medio ambiente y la eficiencia energética del sistema a lo largo de todo el ciclo de vida, incluyendo el cultivo de microalgas, la conversión de metanol, el transporte y uso final. La utilización de microalgas, es una materia prima de la producción de combustible de metanol, es beneficiosa para la producción de biocombustibles renovables y la mejora del entorno ecológico. Este combustible de metanol es amigable con el medio ambiente, que debería tener un papel importante en el desarrollo de la industria del automóvil y la gasolina. (Tomado de: The analysis on energy and environmental impacts of microalgae-based fuel methanol in China, Jing Liu and Xiaoqian Ma)

El uso continuo de los combustibles procedentes del petróleo es ahora ampliamente reconocido como insostenible, a causa del agotamiento de los suministros y la contribución de estos combustibles a la acumulación de dióxido de carbono en el medio ambiente. Los combustibles de transporte son necesarios para la sostenibilidad medioambiental y económica. El biodiesel proveniente de los cultivos de aceite, los residuos de aceite de cocina y las grasas de animales no logran satisfacer ni una pequeña parte de la demanda actual de combustible para el transporte. Las microalgas parecen ser la única fuente renovable de biodiesel, que es capaz de satisfacer la demanda mundial de combustible para el transporte. (Tomado de : Biodiesel from microalgae, Yusuf Chisti)

El Departamento de Ciencias del Mar y Biología aplicada, muy activo en el estudio de las algas como materia prima biomásica y como captadores de CO2, ha obtenido unos óptimos resultados que avalan su investigación del uso de estas plantas marinas para la fabricación de Biocombustible. Según estos resultados, la producción podría ser 400 veces superior a cualquier otro biocombustible de los utilizados en la actualidad, siendo estas algas, además, una fuente de energía inagotable y no contaminante. (Tomado de: Revista QEI, Agosto-Septiembre 2008).
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