Biocombustibles a partir de microalgas cultivadas en aguas residuales

Gestión y tratamiento del agua
Automática e Instrumentación
Febrero 2012 / n.º 437
Desarrollo de un fotobiorreactor
Biocombustibles a partir
de microalgas cultivadas
en aguas residuales
Una alternativa que permitiría reducir el coste de producción de
biodiesel a partir de microalgas sería el cultivo de microalgas en aguas
residuales, ricas en nutrientes. La idea subyacente sería la siguiente:
acometer el tratamiento de aguas residuales, lo cual se debe realizar de
todos modos y tiene un coste económico, mediante cultivos de microalgas
que permitan aprovechar energéticamente la biomasa producida.
E
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n los últimos años ha habido un interés creciente
en investigar la potencialidad de producir biocombustibles
a partir de cultivos de microalgas.
El elevado contenido en lípidos de
las microalgas las convierte en una
alternativa a los cultivos energéticos
terrestres para la producción de
biodiesel, salvando el obstáculo de la
competencia con los alimentos por
el terreno cultivable. Los cultivos
de microalgas pueden producir una
cantidad de aceites por hectárea
20 veces superior a la de cultivos
oleaginosos como la soja.
Para incrementar el rendimiento
del proceso se seleccionan determinadas especies de algas. Esto
conlleva trabajar con reactores cerrados para evitar la contaminación
del cultivo. Puesto que la luz es un
factor limitante para la fotosíntesis,
estos fotobiorreactores se diseñan
de tal forma que favorezcan la exposición a la radiación incidente. En
función de la especie de microalga,
se alimentan con agua dulce o salada, siempre suplementada con
nutrientes.
La producción de biocombustibles
a partir de microalgas se encuentra
en una fase de investigación inicial, siendo todavía relativamente
escasos los estudios realizados, no
disponibles. Aun así, la información
disponible deja entrever que el cul-
tivo de microalgas en fotobiorreactores para producir biocombustibles
presenta una serie de exigencias
y requerimientos que podrían limitar su implementación a escala
industrial. Por ejemplo, algunos
investigadores estiman que el coste
de producción de biodiesel a partir
de microalgas debe reducirse unas
10 veces para poder competir con
el precio del petróleo (suponiendo
100$ por barril). Otros estiman
que el coste de producción debe
ser inferior a 1€/kg de materia seca
algal para que los biocombustibles
procedentes de microalgas sean
una realidad.
Una alternativa que permitiría
reducir estos costes sería el cultivo
de microalgas en aguas residuales,
ricas en nutrientes. Desde el punto
de la depuración, la biomasa algal
sería un subproducto del proceso de
tratamiento de aguas residuales. La
idea subyacente sería la siguiente:
acometer el tratamiento de aguas
residuales, lo cual se debe realizar
de todos modos y tiene un coste
económico, mediante cultivos de
microalgas que permitan aprovechar energéticamente la biomasa
producida.
En este sentido, el Departamento
de Energía de los EEUU ya ha destacado la sinergia potencial entre
el tratamiento de aguas residuales
y la producción de biocombustibles
a partir de microalgas. Tanto el conocimiento como la infraestructura
existente para el tratamiento de
aguas residuales se identifican como
dos elementos clave para eludir las
barreras asociadas a los costes y
la escalabilidad de los sistemas de
n Esquema del fotobioreactor tubular semicerrado.
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producción de microalgas.
En relación a la tipología de reactor para cultivar microalgas a partir
de aguas residuales, cabe diferenciar dos casos:
• La depuración es el principal
objetivo de la instalación y la producción de microalgas es un subproducto del proceso. En este caso,
el sistema donde se producen las
microalgas recibe aguas residuales,
por lo tanto, los reactores abiertos
(tipo raceway) son los más indicados, siendo a la vez un sistema
depurador de agua y productor de
biomasa.
• La producción de microalgas
es el principal objetivo y la mejora
de la calidad del agua es un beneficio adicional. En este caso, el
sistema recibe efluentes depurados,
con poca materia orgánica pero
con concentraciones suficientes de
nutrientes. Sería una especie de
tratamiento terciario, por lo tanto,
debería instalarse cerca de depuradoras ya existentes. Esta estrategia
combinaría el concepto de triángulo integrado: depuración-energíareutilización. Los fotobiorreactores
cerrados serían la tecnología más
adecuada.
Fotobiorreactores para
producir microalgas a partir de
aguas residuales
La empresa Fotobiorreactores Industriales S.L. ha desarrollado un
nuevo prototipo de fotobiorreactor
donde se ha cultivado la microalga
Tetraselmis, en agua marina suplementada con nutrientes, mostrando
resultados excelentes y demostrando el potencial de esta técnica para
producir gran cantidad de biomasa
por hectárea a bajo coste. El prototipo tiene la particularidad de
ser semicerrado, de manera que
combina la tecnología avanzada
de los modernos diseños de fotobiorreactores con la clásica de los
sistemas raceway. El agua circula a
presión muy baja por bolsas de plástico tubulares mediante la energía
proporcionada por ruedas de aspas
(ver figura en página anterior). La
innovación tecnológica del prototipo
es su concepción del movimiento
del agua y sus materiales (plástico
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n Imagen del fotobiorreactor durante su puesta en marcha en UPC. La biomasa algal se
cultiva en bolsas de plástico tubulares, contenidas en un cubeto de PVC negro.
ligero), que requieren de un coste
energético y de inversión altamente
competitivo. Además, el prototipo
está estructurado de forma que se
adapta a las dimensiones de la maquinaria agrícola usual para poder
mecanizar su desplegamiento en
grandes superficies agrícolas.
El Grupo de Ingeniería y Microbiologia del Medio Ambiente (Gemma) de la Universitat Politècnica de
Catalunya (UPC) está desarrollando
el proyecto de I+D+i Bioalgas en
colaboración con la empresa, para
evaluar el funcionamiento del fotobiorreactor con aguas residuales
depuradas, según el concepto de
triángulo integrado: depuración-
energía-reutilización. El fotobiorreactor que se ha instalado en la
UPC tiene unas dimensiones de 60
x 5 m (ver figura superior). En el
proyecto Bioalgas se produce biogás
mediante la digestión anaeróbica de
las microalgas cosechadas, aunque
se podrían obtener otros biocombustibles como biodiesel a partir de la
transesterificación de los lípidos o
bioetanol a partir de la fermentación
de los carbohidratos.
El control de la producción de
microalgas se lleva a cabo mediante
una serie de sensores que miden
temperatura, pH, turbidez y radiación solar, entre otros parámetros
(ver figura inferior). Este sistema
n Sensores de control del fotobiorreactor tubular semicerrado.
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Bibliografía
foto per omplir?
permite realizar una monitorización
automática del funcionamiento del
sistema para su control, permite
exportar datos de forma unificada
y detectar problemas operacionales
de forma remota.
4
Producción de biocombustible
a partir de microalgas
La producción de biodiesel a partir
de la biomasa algal es el proceso
de generación de biocombustible
que ha suscitado mayor interés
en los últimos años. Sin embargo,
existen muy pocos estudios sobre
la producción de biogás a partir de
biomasa algal.
La tecnología más simple y directa
para producir biocombustibles a
partir de microalgas es la producción de biogás. Comparado con la
producción de biodiesel, no requiere de una concentración, secado
y extracción de aceites previa. La
digestión anaeróbica es la tecnología convencional para estabilizar
los fangos en las depuradoras de
aguas residuales, está consolidada
y existe una amplia infraestructura.
Por estas razones, tiene mucho sentido aprovechar energéticamente la
biomasa algal para producir biogás
a partir de la depuración de aguas
residuales.
La digestión anaeróbica de microalgas entraña una dificultad que
todavía no está resuelta: la hidrólisis
de la pared celular de las microalgas, que limita su biodegradabilidad
anaeróbica y, por lo tanto, de la tasa
de producción de biogás. Para que la
producción de biogás sea eficiente,
la biomasa se puede pre-tratar, y
este es precisamente uno de los
retos del proyecto Bioalgas. El pretratamiento de fangos de depuradora mediante procesos químicos, tér-
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micos y mecánicos permite mejorar
la desintegración del sustrato, incrementando su biodegradabilidad.
Teóricamente, el incremento en la
producción de biogás es suficiente
para cubrir la demanda energética
de un pretratamiento térmico a baja
temperatura.
El cultivo de microalgas en aguas
residuales depuradas fomenta la
reutilización de aguas, mejora la
calidad de las aguas y permite la valorización energética de un subproEl proyecto Bioalgas (CTM
2010-17846) está financiado
por el Ministerio de Economía
y Competitividad.
ducto –las algas–. La aproximación que se investiga en el proyecto
Bioalgas permite reducir la huella
hídrica y la huella de carbono, evitando emisiones de gases de efecto
invernadero.
Joan García(1), Fabiana
Passos(1), Ivet Ferrer(1)
y Jacinto Mena(2)
(1)
GEMMA - Grupo de Ingeniería
y Microbiologia del Medio
Ambiente. Departamento
de Ingeniería Hidráulica,
Marítima y Ambiental.
Universitat Politècnica de
Catalunya
[email protected]
(2)
Fotobioreactores Industriales, S.L.