Estudio Degradacion Anaerobica Biomasa Microalgal para

Estudio de la degradación anaeróbica de biomasa microalgal para la
producción de biogás
María Elisa Indiveri a, Carina Maroto a, b, Nehuén Angileri b, Carolina Belén García c, Susana Llamas a, Jorge
Barón a,c
a
Centro de Estudios de Ingeniería en residuos Sólidos – Instituto de Medio Ambiente – Facultad de Ingeniería –
Universidad Nacional de Cuyo – Centro Universitario, 5500, Mendoza, Argentina. [email protected]
b
c
Instituto de Energía – Institutos Multisdisciplinarios, Espacio de la Ciencia y la Tecnología, Universidad
Nacional de Cuyo - Centro Universitario, 5500, Mendoza, Argentina.
CONICET. Grupo a-Oil, Laboratorio a-oil, Institutos Multidisciplinarios, Espacio de la Ciencia y la Tecnología,
Universidad Nacional de Cuyo, Centro Universitario 5502. Mendoza, Argentina. [email protected].
Resumen. El presente trabajo aborda el estudio de la factibilidad de la producción cualicuantitativa de biogás a partir de la digestión anaeróbica de biomasa microalgal de Chlorella sp.
y Scenedesmus sp., ambas especies nativas aisladas en Mendoza, Argentina, y crecidas en
cultivos in-door y out-door, sin control de esterilidad y con inyección de CO2 industrial como
insumo productivo.
Se utilizó la biomasa microalgal tanto fresca como seca, como así también pre y post extracción
de lípidos. Además, se adicionó como cosustrato, la glicerina proveniente de la elaboración de
biodiesel a fin de mejorar el desempeño de la reacción y de otorgar un destino a un coproducto
que, hasta el momento, es solo un residuo.
Se buscó generar un ciclo cerrado en la elaboración de biocombustibles a partir de microalgas,
las cuales son capaces de captar la energía primaria del sol mediante su metabolismo
fotosintético, y así generar aceites para la elaboración de biodiesel. A través de la degradación
anaeróbica, se obtuvieron cantidades significativas de biogás para ser utilizadas en el proceso de
transesterificación.
A partir de los resultados obtenidos, se observó que es factible la degradación anaeróbica de la
biomasa microalgal, y que el mejor tratamiento para la generación de energía, a través del
biogás, es el de algas aditivado con un 1% de glicerina. También se observó que la presencia de
metanol dificulta los procesos para la obtención de metano.
Palabras Clave: Biogás, Glicerina, Metano, Biomasa microalgal.
1. Introducción
Los biocombustibles de primera generación, como la producción de etanol a partir de azúcares
vegetales o biodiesel mediante la obtención de aceites vegetales, presentan balances de energía
comparativamente malos. La segunda generación de biocombustibles, que convierten toda la
planta, ofrece posibilidades de gran potencial [1], [2].
Las microalgas son una fuente de abastecimiento para combustibles de tercera generación. Son
más eficientes en términos de productividad de biomasa por unidad de área cultivada y
contribuyen a mitigar las emisiones de CO2 por el consumo de su metabolismo fotosintético.
Esta biomasa se puede emplear directamente o procesada para generar combustibles líquidos o
gaseosos por una gran variedad de procesos de conversión bioquímicos o termoquímicos [3],
[4], [5], [6], [7], [8].
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
La mayor parte de la materia orgánica se puede utilizar para la generación de bioenergía a través
de la fermentación anaeróbica [9]. En tal sentido, el uso de especies de algas de rápido
crecimiento, podría resultar muy prometedora.
Las investigaciones sobre la fermentación anaeróbica de biomasa de algas se conocen desde
hace más de 50 años [10], en particular con diferentes especies de macroalgas (Macrocystis,
Gracilaria, Hypnea, Ulva, Laminaria y Sargassum) [11]. La identificación de cepas de
microalgas con buenas características [12], los avances en las técnicas de cultivo [6], así como
la capacidad de algunas cepas para producir valiosos subproductos [13], impulsan el empleo de
estos microorganismos para la generación de bioenergía. En particular, la biomasa resultante
después de la extracción de lípidos se puede transformar en metano [5].
La provincia de Mendoza es conocida por su elevada heliofanía (más de 300 días de sol/año,
con una media anual de radiación solar de 6kWh/m2.día) [14]. Esta región desértica, con menos
del 5% de tierras cultivables, favorece el desarrollo de microalgas en cultivos a gran escala outdoor.
2. Materiales y métodos
El presente trabajo se refiere al estudio de factibilidad para la producción cuali-cuantitativa de
biogás a partir de la digestión anaeróbica de biomasa microalgal de Chlorella sp. y Scenedesmus
sp., ambas especies nativas aisladas en Mendoza, Argentina, y crecidas en cultivos in-door y
out-door, sin control de esterilidad y con inyección de CO2 industrial como insumo productivo.
2.1. Cultivo de microalgas. Generación del inóculo para obtención del sustrato
Como inóculo inicial se utilizaron las microalgas mencionada crecidas en consorcio. Se trabajó
por duplicado en 3 ciclos consecutivos de 5 días cada uno de cultivos in-door crecidos en
reactores abiertos de 17 L. Se adicionó 20% de inóculo de Chlorella sp. y Scenedesmus sp., 5%
de BBM (Bold Basal Modificado) [15] pH 7, agua de red y fotoperiodos 12/12 luz artificial e
inyección de CO2 durante las horas de luz.
2.2. Obtención del sustrato, cosustrato e inóculo.
La recolección de muestras de biomasa microalgal seca (post-extracción de lípidos) residual,
bajo diferentes condiciones experimentales, se realizó durante 1 año. Se extrajeron los lípidos
mediante tratamiento convencional y alternativo [15]. Las mismas fueron almacenadas en placas
de Petri a 4°C.
Las muestras de biomasa microalgal húmeda/fresca (sin extracción de lípidos previa), se
obtuvieron de 3 ciclos consecutivos de cultivos in-door. La cosecha y concentración se llevó a
cabo por filtrado tangencial [15]. Las muestras de filtrado se almacenaron refrigeradas a 4°C.
La determinación de sólidos secos (SS) y sólidos volátiles (SV) en el sustrato e inóculo, se
realizó según métodos normalizados. Se determinó la proporción de sustrato para cada digestor
y se caracterizó la biomasa microalgal seca luego de la extracción de lípidos.
Tabla 1. Caracterización de algas en sólidos totales (ST) y volátiles (SV)
Microalgas Peso Húmedo (g) Peso Seco (g) Cenizas (g) % ST % SV
Sin filtrar
77,3788
0,0665
0,0154
0,0859 76,84
Filtradas
76,4293
0,0854
0,0444
0,1117 48,01
Como cosustrato se utilizó glicerina obtenida de la transesterificación de aceite de metanol,
compuesta por hidrocarburo tipo FAME, en dilución menor de 0,3 % peso, glicerina 76 % en
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
peso y metanol 20,0 % en peso. El contenido de Humedad de 0,26% en peso, 97,4 % de ST y
92,22% de SV.
Para la obtención de un inóculo adecuado para el ensayo, se analizaron distintas muestras de
líquidos ruminales de vacunos [16], [17], con 1,72 % de ST y 48,10% de SV.
2.3. Descripción del equipo
Se trabajó en condiciones mesofílicas con temperatura promedio de 37,2°C. Se empleó un baño
de agua termostatizado de acero inoxidable AISI 304L, provisto de 3 resistencias de acero
inoxidable blindadas de 1500 W, aptas para inmersión. Se emplearon reactores cilíndricos de
acero inoxidable AISI 316L de 4 L de capacidad, con cierre bridado, junta intermedia de caucho
de etileno propileno dieno (EPDM) y con válvula de venteo esférica. Se colocaron manómetros
analógicos de 0,02kg/cm2 de sensibilidad, con rango de 0 a 1kg/cm2 y presión máxima de
4kg/cm2.
Se diseñó una trampa de llama para evitar el ingreso de oxígeno a los reactores, que también
retiene el H2S que se podría generar. El dispositivo es un tubo de PVC de Ø 110mm con una
tapa y un tubo pescante sobre una solución de Ca(OH)2. Al conectar la salida del reactor con la
entrada del dispositivo, el biogás burbujea en la solución y luego sale por la válvula lateral hacia
el mechero, lo que permite evaluar la presencia de metano y controlar olores.
Las mediciones de gas se realizaron todos los días, durante las 2 primeras semanas luego, día
por medio. El proceso se extendió 116 días. El volumen de gas generado se calculó a partir de la
lectura de la presión en cada reactor.
Figura. 1. Disposición de reactores en baño termostatizado.
Fuente: CEIRS (Centro de Estudio de Ingeniería de Residuos)
2.4. Diseño experimental
Se preparó un conjunto de 7 tratamientos; cada uno por triplicado, con un total de 21 ensayos:
S1: biomasa microalgal seca (luego de la extracción lípidos; inóculo: líquido ruminal). S2:
microalgas frescas y líquido ruminal. S3: microalgas frescas, (cosubstrato: 1% de glicerina,
inóculo: líquido ruminal). S4: microalgas frescas, (cosubstrato: 5% de glicerina, inóculo: líquido
ruminal). C-: control de inóculo: carga: líquido ruminal para medición del biogás. C+1: control
de glicerina al 1%. Carga con líquido ruminal y glicerina al 1% para cuantificar el efecto
independiente de la glicerina al 1% en la producción de biogás. C+2: control de glicerina al 5%.
Carga con líquido ruminal y glicerina al 5% para cuantificar el efecto independiente de la
glicerina al 5% en la producción de biogás.
El volumen de carga y el espacio en cabecera en cada reactor fue de 2 L. La proporción de
inóculo/sustrato fue de 60/40 % v/v. Se buscó mantener la concentración de ST por debajo del
10-15%, por su importancia, por ser el rango de crecimiento microbiano más eficaz [18].
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Tabla 2. Esquema para la carga de reactores.
V. Inóculo (l)
V. algas (l)
V. glicerina (l) [ST] reactor (g/l)
S1
1,25
0,75
S2
1,25
0,75
S3
1,25
0,75
1,07681E-05
0,33277304
S4
1,25
0,75
5,38403E-05
0,355981165
C+1
1,25
0
1,07681E-05
0,023039532
C+2
1,25
0
5,38403E-05
0,060182605
C-
1,25
0 (0,75l de agua)
5,008595853
0,326970853
0,008595853
2.5. Mediciones de calidad de biogás
Se midió el contenido de N2, CH4, CO2, CO, H2, H2S y otros. De cada tratamiento se extrajeron
muestras de biogás para las determinaciones cromatográficas de composición. Este proceso
constó de tres etapas: a los 14 días de iniciado el ensayo, a los 48 días y a los 90 días.
3. Resultados y discusión
3.1. Mediciones de volumen biogás
El volumen de gas generado se determinó indirectamente, por lectura de presión en los
manómetros de los reactores. Se consideró el gas en estado ideal y se lo comparó con el gas en
condiciones reales. El volumen del gas obtenido se determinó empleando la ecuación de estado
de los gases ideales y la ecuación de Peng Robinson. Según esta comparación el error no superó
el 0,5% por lo cual se consideró el biogás obtenido como gas ideal en todos los cálculos.
PV = nRT
(1)
Tabla 3: Volúmenes medios producidos en Nm3
Serie
Volumen producido [Nm3]
S1
0,0130
S2
0,0120
S3
0,0148
S4
0,0043
C+1
0,0166
C+2
0,0035
C-
0,0116
Se observó que los tratamientos con 1% de glicerina (S3 y C+1) presentaron el mayor
rendimiento en la producción de biogás. Le siguieron los tratamientos con algas secas, luego las
frescas (S1 y S2 respectivamente) y finalmente el de inóculo puro. Los tratamientos con 5% (S4
y C+2) de glicerina presentaron un bajo desempeño en la producción de biogás. Se concluyó
que esto se debe a que la alta concentración de metanol en la glicerina dificulta la actividad de
las bacterias.
3.2. Mediciones de calidad de biogás
Se presentan las composiciones en porcentaje molar del biogás obtenido en las diferentes etapas
del ensayo.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Tabla 4. Composición en porcentaje molar del biogás obtenido en la etapa 1 (14 días)
Serie
% N2
% CH4
% CO2
% SH2
% OTROS
TOTAL
S1
60,129
1,629
25,341
1,335
11,567
100,000
S2
61,710
2,788
22,845
0,316
12,341
100,000
S3
32,466
27,915
33,008
0,858
5,753
100,000
S4
52,084
8,770
29,436
0,000
9,711
100,000
C+1
48,775
14,594
27,155
0,170
9,307
100,000
C+2
53,114
5,771
30,082
0,053
10,980
100,000
C-
65,221
2,665
18,383
0,357
13,374
100,000
Las series presentaron un alto contenido en N2 y un bajo contenido en CH4, esto es normal en
los primeros días de incubación. Se aprecia también en el tratamiento S1 el alto contenido en
H2S (mayor a 1%).
Tabla 5. Composición en porcentaje molar del biogás obtenido en la etapa 2 (48 días)
Serie
% N2
% CH4
% CO2
% SH2
% OTROS
TOTAL
S1
10,428
71,002
18,317
0,240
0,014
100
S2
10,638
71,107
16,682
0,124
1,449
100
S3
12,032
68,532
19,095
0,064
0,277
100
S4
32,929
36,630
28,816
0,000
1,625
100
C+1
10,532
65,338
23,617
0,028
0,485
100
C+2
44,493
21,218
31,088
0,000
3,200
100
C-
8,956
73,152
17,276
0,000
0,616
100
Se observó el incremento en la producción de CH4, también se confirmó la disminución en N2
en la mezcla de gases. El testigo de inóculo presentó el mejor rendimiento en CH4 (73%), sin
producción de H2S. Los tratamientos S1 y S2 de algas secas y frescas produjeron un 71% de
CH4. Los tratamientos S3 y C+1 (con 1% de glicerina) produjeron un 68 y 65% de CH4
respectivamente y los tratamientos S4 y C+2 (con 5% de glicerina) produjeron 36 y 21%
respectivamente.
Tabla 6. Composición en porcentaje molar del biogás obtenido en la etapa 3 (90 días)
% N2
% CH4
% CO2
% OTROS
TOTAL
S1
25,156
64,225
7,440
3,180
100
S2
28,644
62,376
5,631
3,349
100
S3
25,344
66,206
6,044
2,405
100
S4
59,574
28,644
4,114
7,668
100
C+1
43,734
47,634
3,186
5,446
100
C+2
56,363
29,245
7,974
6,418
100
C-1
38,077
54,073
4,295
3,555
100
Se observó una disminución en la producción de CH4 y un incremento en la cantidad de N2 en la
mezcla de biogás. El tratamiento S3 presentó el mayor porcentaje de CH4 (66%). Para los demás
tratamientos se repitió el mismo patrón que en la segunda etapa, aunque con una menor
concentración de CH4. Se puede apreciar que las series sin glicerina presentan mayor contenido
en CH4. Se consideró que la elevada cantidad de glicerina con alto porcentaje de metanol,
interfiere directamente en la producción de CH4. Se observó que los tratamientos a los que no se
les adicionó glicerina poseen mayores rendimientos en CH4.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
4. Conclusiones
Se concluye que es factible la producción cuali-cuantitativa de biogás a partir de la digestión
anaeróbica de biomasa microalgal de Chlorella sp. y Scenedesmus sp. en Mendoza, Argentina.
Se comprobó la degradabilidad tanto de las especies producidas en laboratorio, como de sus
residuos en condiciones mesofílicas y anaeróbicas.
La adición de un 1% de glicerina en los tratamientos produjo una mejora en el rendimiento en
volumen de biogás, pero no mejoró la proporción de CH4 en la mezcla. La adición de 5% de
glicerina ocasionó una disminución en la producción de biogás y en la proporción de CH4.
Se concluyó que el metanol presente en la glicerina obstaculiza la producción de CH4, y se
consideró que para optimizar el proceso de obtención de energía mediante la digestión
anaeróbica, previamente se debe realizar una desmetanolización mediante calentamiento previo
a 65°C (punto de ebullición del metanol).
El tratamiento con mejor rendimiento en energía de combustión fue el de biomasa microalgal
fresca con adición de un 1% de glicerina. Se concluye que para generar energía a partir de estos
residuos esta es la mezcla óptima en las condiciones estudiadas.
Se proyecta que serán necesarios 383,6 L de biogás obtenidos a partir de esta mezcla para
generar la energía necesaria para el proceso de transesterificación de 145kg de aceite más 45kg
de metanol. Para generar esa cantidad de biogás son necesarios 19,67 L de biomasa microalgal,
32,74 L de inóculo y 4.64x10-4 L de glicerina.
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