Issuu on Google+

BIOCOMBUSTIBLE CON “CHLORELLA SP” Oriana Parra Zuleta y Santiago Alzate Sánchez _______________________________________________________________ Resumen Ante la crisis energética y climática del mundo se han planteado algunas alternativas de biocombustibles como la biomasa; pero estas tendrían como limitaciones el desabastecimiento de los alimentos, la escasez de tierras, el uso irracional del agua, la pérdida de biodiversidad y la erosión del suelo. Nuestro proyecto, básicamente está fundamentado en la elaboración de un biocombustible a base de la microalga “Chlorella sp” que sea viable como parte de la solución a este problema medioambiental. Siendo nuestro objetivo principal, experimentar intentando conseguir mejores resultados y trascender en la investigación ya propuesta. Abstract In front the energy and climate crisis of the world has raised some biofuel alternatives such as biomass, but these would have limitations like food shortages, land shortages, irrational use of water, biodiversity loss and soil erosion. Our project is based primarily on the development of a biofuel based on the microalgae "Chlorella sp" feasible as part of the solution to this environmental problem. Being our main objective, to experiment trying to get better results and research beyond a proposed investigation. _______________________________________________________________ Tabla de Contenidos

1. 2.

3. 4.

5. 6. 7.

Agradecimientos Introducción y justificación Antecedentes Objetivos 2.1. Objetivo General 2.2. Objetivos Específicos Formulación de Hipótesis Definición de las variables 4.1. Variables Independientes 4.2. Variables Dependientes Marco teórico Metodología Discusión, Interpretación y aplicación de resultados

2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 4 11 11


8. Conclusiones y Recomendaciones Bibliografía (citada) Anexos

11 12 14

Agradecimientos Agradecemos a todas las personas que directa e indirectamente hicieron posible este proyecto: - Al Parque Explora por darnos la oportunidad de participar y los recursos para desarrollarlo - A nuestra asesora Gloria Machado, una gran persona que nos ayudó en todo momento y fue punto clave para nosotros - Al Agrónomo Jorge Gonzáles Montoya, un gran amigo que nos colaboró en todo cuanto le fue posible - Al señor Andrés Lara, quien compartió sus amplios conocimientos con nosotros y nos apoyo mucho - A nuestras familias y amigos que estuvieron siempre con nosotros, y a Nicolás Parra quien nos empujó cada que estábamos perdiendo el ánimo - A la Institución Fernando Vélez que aportó en su medida lo que fue necesario Además, damos un agradecimiento muy especial al profesor Hernán Gómez, quien dedicó gran parte de su tiempo a nosotros y nos apoyo siempre; y a la Doctora Lucía Atehortua por abrirnos las puertas al mundo de la Investigación y por colaborarnos en todo momento. Introducción y justificación Este trabajo es una propuesta que surge de una investigación antes planteada con otros tipos de microalgas. Nuestro objetivo es utilizar la microalga “Chlorella sp” en la producción de un biocombustible natural. A través de la realización de este proyecto de investigación se pretende adquirir conocimiento acerca del tema, experimentando con diferentes variables, para poder aportar al mejoramiento de la gran problemática del calentamiento global mediante alternativas para la no contaminación y la mitigación del uso de recursos naturales no renovables. Para afrontar la actual crisis energética y climática del planeta se han planteado algunas opciones de biocombustibles como por ejemplo, la biomasa; pero estas tendrían algunas limitaciones como el desabastecimiento de los alimentos, la escasez de tierras, el uso irracional del agua, la pérdida de biodiversidad y la erosión del suelo, entre otras; por esto, un nuevo tipo es planteado: utilizar el aceite producido a partir de microalgas como biocombustible. Por esto, en nuestro proyecto de investigación


planteamos analizar los pro y los contra de este aceite, tomando como muestra la microalga “Chlorella sp”, mientras se busca una mejor producción trascendiendo en lo ya hecho por otros.

1. Antecedentes El proyecto ya ha sido investigado y propuesto, la idea de usar las microalgas como fuente de combustible no es nueva, sino que ahora se está tomando seriamente debido al precio de desarrollo del petróleo y, más perceptiblemente, la preocupación emergente por el calentamiento del planeta eso se asocia a combustibles fósiles ardientes. Se conocen ya desde hace 50 años las tecnologías para producir y usar el biodiesel, sin embargo, este se produce actualmente de los aceites de plantas y animales, pero no de las microalgas [1]. Según lo que hemos investigado, se han avanzado en ciertos métodos en cuanto al cultivo, extracción, purificación y utilización del aceite, pero no se ha conseguido minimizar su costo y no hay muchos registros sobre la calidad del biocombustible antes producido. La mayoría de los registros que encontramos están en inglés, ya que es en Estados Unidos y Europa donde más se ha investigado. Según estás investigaciones se ha encontrado que el biodiesel microalgal es técnicamente factible. Es el único biodiesel reanudable que puede desplazar potencialmente los combustibles líquidos derivados del petróleo [1]. Sin embargo, la producción de este debe mejorar y volverlo económico, para que así pueda convertirse en una alternativa más viable. Producir un biodiesel microalgal barato requiere sobre todo mejoras a la biología algácea con la ingeniería genética y metabólica… Los avances en la ingeniería del foto- biorreactor bajarán más lejos los costes de producción. Debido a su productividad mucho mayor que las alcantarillas, los foto biorreactores tubulares es probables sean utilizados para producir mucha de la biomasa microalgal requerida para hacer el biodiesel. Los foto biorreactores proporcionan un ambiente controlado que se pueda adaptar a las demandas específicas de microalgas altamente productivas para lograr una producción anual constantemente buena de aceite [1].


2. Objetivos: 2.1 Objetivo General Utilizar la microalga “Chlorella sp” como alternativa para la generación de fuente de energía (biocombustible), examinando su proceso productivo, la calidad, características del producto y la viabilidad de éste para ser utilizado en nuestro medio. 2.2 Objetivos Específicos 1. Examinar el proceso productivo de los biocombustibles a base de “Chlorella sp” 2. Modificar las variables definidas para analizar rendimiento en los resultados 3. Observar cuál es la calidad del biocombustibles producido y cuáles son sus características 3. Formulación de la hipótesis Se genera biocombustible provechoso para el medio ambiente a partir de la microalga “Chlorella sp” después de un proceso de cultivo, extracción de aceite y análisis del mismo, intentando aplicarlo a motores de combustión interna y manipulando variables (como tiempo, temperatura e iluminación). 4. Definición de las variables 4.1 Variables independientes: Condiciones del lugar de producción: A. Tiempo B. Temperatura (Calor) C. Iluminación (Diferentes longitudes de onda) D. Fertilizante 4.2 Variables dependientes: A. Microalga “Chlorella sp” B. Cantidad de aceite C. Calidad del aceite


5. Marco Teórico o Temático Actualmente, estamos ante una gran crisis energética y medioambiental, mientras aumenta la población, más gente debe alimentarse de la misma superficie de tierra, además, las demandas básicas para la población son agua potable, energía, alimentos, salud, vivienda, educación, recreación y un medio ambiente sano entre otros servicios. En cuanto al consumo mundial de energía, el petróleo continuará siendo la principal fuente energética, manteniendo la actual cuota del 38% del consumo total en 2009. El gas natural superará al carbón como segunda fuente primaria. Las renovables apenas aumentarán su cuota actual del 8%. Sin embargo, las reservas de petróleo alcanzarán para 75-100 años ubicadas en países con dificultades sociopolíticas. Las de gas Natural 50-75 años ubicados igualmente en países con cierta inestabilidad. Y, las de carbón 250-300 años máxima dispersión geográfica. [3] Vemos con esto que está comprobado ya que los combustibles originarios del petróleo y algunas alternativas como el gas natural, son insostenibles debido al agotamiento de fuentes y a la contribución de estos combustibles a la acumulación de dióxido de carbono en el ambiente entre otros problemas [3]. Por esto, se han planteado una serie de alternativas a este problema energético, pero no todas han sido muy viables, como es el caso de los combustibles que derivan de la biomasa. Un ejemplo de esto, es el del biodiesel derivado de cosechas de aceite, que es una alternativa reanudable. Etimológicamente un biocombustible es un combustible de origen biológico no fosilizado. Es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa [6], entendiendo por biomasa la fracción biodegradable de los productos, desechos y residuos procedentes de la agricultura (incluidas sustancias de origen vegetal y animal), silvicultura e industrias conexas, así como la fracción biodegradable de los residuos industriales y municipales [5]. Presentan una gran cantidad de ventajas frente los combustibles fósiles, entre ellas producir bastante menos cantidad de C02, principal gas causante del efecto invernadero. Al tratarse estos de recursos inagotables, son excelentes para reemplazar los combustibles que se producen en base al petróleo, el cual escasea y por otro lado produce grandes efectos contaminantes en la atmósfera, como el efecto invernadero entre muchos otros. Este tipo de biocombustibles, están caracterizados por la posibilidad de aplicación a los actuales motores de combustión interna, y ya son muchos los vehículos que se están fabricando para funcionar con este tipo de biocarburantes [10]. Los biocarburantes, son biocombustibles susceptibles de ser empleados en un motor de combustión interna. Dado que en buena medida estos motores se instalan en los vehículos, y se identifican como los biocombustibles para el transporte. Los biocarburantes en uso proceden de materias primas vegetales, a través de transformaciones biológicas y físico-químicas [5], son biodegradables, no tóxicos, y típicamente producen cerca de 60 % menos emisiones de dióxido de carbono. Sus


emisiones de smog son 65 % menores que el diesel derivado del petróleo. Los biocarburantes más conocidos son: Bioetanol: Es un alcohol etílico deshidratado producido a partir de la fermentación de elementos de la biomasa que sean ricos en componentes azucarados, amiláceos y, últimamente, lignocelulósicos. Entre los cultivos agrarios empleados en la producción de bioetanol se encuentran la caña de azúcar, la remolacha, el maíz, el sorgo, el trigo, la cebada, así como tallos de maíz, paja de cereal y otros residuos vegetales. El bioetanol se utiliza como sustitutivo de la gasolina, o en mezcla con ésta, en los motores de explosión, incluso en altos porcentajes de mezcla en los llamados vehículos FFV (Flexible Fuel Vehicles). También llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada [5]. Biodiesel: Es un éster metílico que se obtiene principalmente a partir de aceites vegetales, entre ellos los aceites de colza, girasol, palma, soja, aunque también se pueden utilizar los aceites de fritura usados y las grasas animales. Los aceites extraídos de las plantas oleaginosas se transforman en biodiesel mediante un proceso denominado transesterificación. Este biocarburante se utiliza como sustituto del gasóleo en los motores de compresión (Diesel), aunque también puede ser empleado para la combustión en calderas de calefacción. Sus propiedades son parecidas a las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y al número de cetanos. Además su punto de inflamación es superior al del gasóleo, lo que implica una mayor seguridad en su utilización. Se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar [5]. En este último caso se suele usar raps, canola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. Aceite vegetal puro: obtenido a partir de plantas oleaginosas mediante presión, extracción u otros procedimientos, crudo o refinado, pero sin modificación química [10]. Los biocombustibles son un instrumento muy útil para cumplir las políticas de lucha contra el cambio climático y de seguridad del suministro, al reducir la dependencia del petróleo. Desafortunadamente, el biodiesel de cosechas de aceite, entre muchos otros de los casos de los combustibles que derivan de la biomasa, no pueden satisfacer ni una pequeña fracción de la demanda existente para los combustibles del transporte, se presentarían conflictos por los requerimientos alimenticios de la población y algunos supondrían deforestación. Sin embargo, además de los biocombustibles producidos a partir de biomasa, existen otras opciones. Hace 50 años se conocen las tecnologías para producir y usar las


microalgas como biocombustible que la biomasa (Anexo 1)

[1]

, y se conoce también que dan mejores resultados

Las microalgas son un grupo diverso de micro-organismos fotosintéticos procariotas y eucariotas que crecen rápidamente debido a su estructura simple. Son taxonómicamente cercanos a las plantas superiores, presentes en diversos ambientes: agua marina, dulce o terrestres; con crecimiento celular individual o colonial, formando extensas poblaciones y comunidades algales, que se desarrollan periódicamente en los llamados “bloom”. En general son los más eficientes conversores de energía solar debido a su sencilla estructura celular. Además al estar suspendidas en agua, tienen un mejor acceso al CO2 y otros nutrientes. Se encuentran ampliamente distribuidas en la biosfera adaptadas a una gran cantidad de condiciones [4]. Son capaces de habitar desde charcos temporales hasta ambientes tan extremos como las aguas termales o sulfurosas. En los ambientes acuáticos, podemos hallarlas en diferentes hábitats o sustratos dentro de la columna de agua: las elípticas se encuentran en la parte superior de los fondos rocosos, las epipélicas habitan en la parte superior del sedimento, las episámmicas son aquellas relacionadas con las plantas acuáticas vasculares y el perifiton está compuesto por aquellas microalgas que se localizan adheridas a las paredes de los cuerpos de agua. Incluso pueden encontrarse unas cuantas saprobias, es decir, capaces de vivir en materia orgánica muerta o en descomposición. Las algas están compuestas básicamente por proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y ácidos grasos. Los ácidos grasos se encuentran en las membranas, en los productos de almacenamiento, metabolitos, etc. El porcentaje de ácidos grasos varía según la especie. Estos son los ácidos que luego son convertidos en biodiesel. Para la producción de estos se buscan algas que contengan un alto contenido en lípido y que sean fácilmente cultivables [10]. Existe una gran biodiversidad de especies, lo que es una gran ventaja, además se multiplican rápidamente (duplican su biomasa en 24 horas), producen casi todo el oxígeno del planeta (Fitoplancton), algunas especies producen hidrógeno, utilizan el CO2 como fuente de carbono para su crecimiento y desarrollo ya que son verdaderos sumideros de CO2; su estructura es esencialmente celulosa y no tienen lignina. Algunas especies pueden crecer mixotróficamente (sin luz) como las diatomeas, aunque todas las especies producen aceite, pero algunas en mayor cantidad. Además, son una fuente alimentaria importante para acuacultivos y para el ser humano, producen productos de alto valor industrial: Pigmentos, polisacáridos, ácidos grasos (Omega 3 y 6), enzimas, proteínas, biopolímeros, etc. En cuanto a la producción industrial, son ambientalmente sostenibles ya que su producción es totalmente limpia. (Anexo 3) Un caso de estas es el de la microalga “Chlorella sp” que es un alga verde unicelular que se reproduce rápidamente por fotosíntesis con solamente dióxido de carbono,


agua, luz del sol, y algunos minerales. La Chlorella es un género de algas verdes, que pertenecen al filum Chlorophyta. Es esférica en su forma, cerca de 2 a 10 µm de diámetro (sin los flagelos). El nombre de Chlorella se toma de de la palabra griega “chloros” que significa verde y el diminuto Latín “ella” del sufijo que significa “pequeño” [11] . El crecimiento fotosintético requiere la luz, el dióxido de carbono, el agua y las sales inorgánicas. La temperatura debe permanecer generalmente dentro de 18 a 30 °C. Para reducir al mínimo costo, la producción del biodiesel debe confiar en luz del sol libremente disponible. El medio del crecimiento debe proporcionar los elementos inorgánicos que constituyen la célula algácea. Los elementos esenciales incluyen el nitrógeno (n), el fósforo (p), el hierro y en algunos casos el silicio. Los requisitos alimenticios mínimos se pueden estimar usando la fórmula molecular aproximada de la biomasa microalgal que es CO0.48H1.83N0.11P0.01 [1]. El DNA (ADN) de la Chlorella está programado para cuadruplicar la reproducción de esta planta cada 20 horas, lo que ninguna otra planta o sustancia en la tierra puede hacer. [17] El contenido de aceite en porcentaje del peso seco de la “Chlorella sp.”, es del 28 – 32 % [1] (Anexo 2), un buen porcentaje si miramos su fácil modo de supervivencia y su alta tasa de reproducción El biodiesel se produce actualmente de los aceites de la planta y animales, pero no de las microalgas. Es probable que esto cambie pues varias compañías están intentando comercializar el biodiesel microalgal. El biodiesel es un combustible probado. El biodiesel en las microalgas nace a partir de un proceso químico. Éste será luego utilizado en transporte, máquinas entre otros [1]. Sin embargo, estos procesos químicos no son económicos por el momento, ya que se requiere de energía e instalaciones bastante costosas de los que no se puede precisar un valor, ya que los costes son variables. Desemejante de otras cosechas de aceite, las microalgas crecen extremadamente rápido y muchas son excesivamente ricas en aceite. Dependiendo de la especie, las microalgas producen diversas clases de lípidos, de hidrocarburos y de otros aceites complejos, por lo cual pueden proporcionar diversos tipos de combustibles biológicos reanudables. Sin embargo, los medios de cultivo para la reproducción de las microalgas debe ser el adecuado, con condiciones que permitan su normal (o acelerado) crecimiento. Algunas de las condiciones básicas para un medio de cultivo son: La selección de la cepa de microalga, Las condiciones de luz, La temperatura, El flujo de agua, El suministro de dióxido de carbono (CO2), Los macronutrientes (C, N, P, Mg, Ca, K, Na, Cl), Los Micronutrientes (Elementos traza: Fe, B, Zn, Mn, Mo, Cu, SO4, Co, Cd, Va, Al, Br, Etc..) y las Vitaminas.


Para cumplir con estos requerimientos, se han diseñado diferentes medios de cultivo, para que cada microalga (dependiendo del tipo) se adapte a el. En los medios de cultivo más comunes, existen ciertos factores físico-químicos que interfieren con el cultivo, como lo son, la luz (calidad, intensidad, duración), las temperaturas (Máxima y Mínimas), la Aireación (CO2, O2), la agitación y aireación, el pH, la presión y la gravedad. [14] Se encontraron algunos medios de cultivo, de los que se elegirán uno o más para trabajar. Uno de ellos (el que consideramos más adecuado), fue el “Bold Basal”, este, es un medio artificial de agua dulce ampliamente utilizado, especialmente para crecer algas verdes. El medio carece de vitaminas y algunas de las concentraciones de restos de metal son relativamente altas, haciendo el medio inaceptable para el crecimiento de muchas algas no-verdes. Se compone de 1 solución Stock de macronutrientes y 4 de micronutrientes. El pH final debe ser 6.6 [12]. (Anexo 4) Este proyecto, consiste principalmente en mostrar como se produce este biocombustible, y experimentar buscando mejoras en el producto, en los costos y en la utilización de este, manipulando variables como, temperatura, iluminación y medios de nutrientes. En un principio, se plantea que la temperatura fuera modificada para mirar que efectos produce en la microalga y a su vez en el biocombustible final. La iluminación se manipularía en cuanto a diferentes colores, ya que, como sabemos, las microalgas son fotosintetizadoras, por lo que la luz es necesaria para su crecimiento [9], por lo que se miraría que pasa si se utilizan diferentes colores en lámparas fluorescentes. Además, se trabajará con varios fertilizantes, basándose en el medio de cultivo Bold Basal, para mirar cuál da mejor rendimiento. Con estas variables, se busca obtener una reproducción más rápida y a su vez, calidad y cantidad en el biocombustible. Entendiendo estos términos como la propiedad o conjunto de propiedades inherentes a algo, que permiten juzgar su valor (superioridad o excelencia) y como la porción grande o abundancia de algo [16], respectivamente. El proyecto, será desarrollado en paralelo, mientras se muestra cómo producir biocombustible casero y fácil, al tiempo, mediante el método de “Ensayo y error”, se experimentará, modificaremos variables y al final, se analizarán resultados. Al final, se definió que los fertilizantes serían el Wuxal Tapa Negra y un compendio de nutrientes llamado T3 [15], que consiste en 1 g de Triple 15 + 0.5 g de Agrimins para un litro de agua.


El proyecto fue desarrollado lentamente debido al poco grado de conocimiento que se tenía, así que mientras se hacían consultas y se obtenía conocimiento, este iba siendo aplicado en el desarrollo del proyecto. Después de algunas reuniones con las asesoras, se concluyo que el proyecto sería desarrollado mediante un esquema donde involucraríamos directamente las variables para un mejor manejo de éstas. El esquema diseñado en un principio es el que se muestra en el Anexo 5. Éste esquema, consistía, en utilizar 4 ambientes con diferentes condiciones cada uno y examinar cuál de ellos daba mejor resultado. Los ambientes eran: 1º Ambiente Natural (luz día/luz noche, temperatura ambiente) 2º Caja de madera (fotop. 12/12, iluminación de color, temperatura menor) 3º Caja de madera (12/12, iluminación de color, temperatura ambiente) 4º caja de madera (fotop. Constante, iluminación blanca, temperatura ambiente) Se decidió días después que se cambiaría el tipo de iluminación, en vez de lámparas fluorescentes, ahora sería con lámparas LED. Se consiguieron las cosas necesarias como eran una caja de icopor, una nevera pequeña, jeringas, agujas, lámparas LED, ganchos pequeños, censores de temperatura, embudos, agua destilada, fertilizantes y elementos de laboratorio (algunos comprados, otros prestados y otros donados). Se insistió al colegio para que aportara su parte al proyecto, y estos aceptaron, acondicionando un salón especialmente para este proyecto, el cual se muestra en el Anexo 6 Las muestras de microalga fueron donadas al proyecto por la doctora Lucía Atehortua, el día 7 de septiembre de 2009. Se nos entregaron 3 tubos de ensayo cada uno con muestras de la microalga “Chlorella sp.” Uno de los tubos fue dividido en 2 raciones aproximadamente iguales, introducidas cada una en un erlenmeyer con 120 ml de agua destilada. Luego se les suministro a cada uno 130 ml de fertilizante (Medio 1: Wuxal y Medio 2: T3) En una reunión posterior con la asesora, se concluyó que el esquema inicial iba a ser imposible de realizar, ya que solo poseíamos 2 ambientes, por lo que se planteó uno nuevo (Anexo 7). Consistía en que la nevera y la caja que se poseía (mediante un cartón que no dejara pasar la luz), fuesen separadas en dos compartimentos, para aprovechar espacios y realizar dos cultivos en un solo equipo. Así, se podía tener al mismo tiempo 4 experimentos sin necesidad de comprar más equipos. Además, se realizó un esquema dividiendo la cantidad de tiempo que estaría un experimento en funcionamiento (Anexo 8), para ahorrar tiempo.


Biocombustibles