Marcela Silvia - Carlos Biotecnologa industrial Medelln 2013

Biofuels

Picking Up Sugar Cane - Miguel Alfaro

La investigacin en biocombustibles es un rea de gran inters por el incremento en la demanda mundial de energa por las economas

emergentes y el creciente precio del petrleo (Mostafa 2010)..

El uso de microorganismos se viene investigando con mltiples

enfoques para la produccin de varios biocombustibles (etanol,

hidrgeno, biodisel, biogs) empleando diversos materiales

de partida (Mostafa 2010).

La produccin de etanol de materiales vegetales inicio en Alemania en 1898 y continu en EE.UU durante la primera guerra mundial

Durante la mitad del siglo XX se demostr la capacidad de ateras para degradar celulosa y otros polmeros de plantas

La investigacin era acadmica debido un abundante, seguro y econmico suministro de combustibles fsiles.

En 1973- 1974 se da un dramtico incremento de los precios de los hidrocarburos

Economas emergentes como China e India incrementan su demanda

Los biocombustibles se empiezan a ver ambientalmente ms amigables al producir unas menores emisiones de CO2 a la atmfera que los combustibles fsiles.

En EE.UU, pases desarrollados y economas que dependen de la importacin de petrleo se cuenta con suficiente material vegetal perenne por lo que ven la oportunidad de eliminar o reducir la

dependencia de combustibles forneos (Mostafa 2010).

Bio combustibles

Alcoholes

Fermentacin directa

Fermentacin indirecta

Bacterias acetognicas

Material vegetal

Conversin a etanol

Mezcla de gases (CO, H2, CO2)

Pirlisis Degradacin a

Azcares fermentables

Conversin en Alcohol

Material vegetal

Material lignocelulsico

Granos de maz

Azcar de caa

Melazas

*Levadura *OMGs Composicin

homognea

Composicin heterognea

Lignina, celulosa,

hemicelulosa

Requiere diferentes

Eficiente despolimerizacin

Tiempo incubacin

Enzimas

Microorganismos

1 generacin 2 generacin

Hace a todas las plantas

competentes

C3-C5 Propanol

isobutanol

Butanol

Clostridium acetobutylicum

Fase esporulacin

Bloquea otras enzimas

necesarias

Quema limpia

Menos soluble en agua

Ms energticos

Ruta WoodLjungdahl

Donador de (e): H2

Aceptor de (e): CO2

Biodisel

Fijan y reducen el CO2

Esterificacin de triglicridos con metanol

steres de alquilo

Es oxidado a agua

No emisiones de CO2

Sencitividad de hidrogenasas al O2

Es el biocombustible ms limpio

H2

Grandes reas de cultivo

Crece en pequeas capas

Aceite 80% w/v

Doblan biomasa en 24 h

Micro alga

Producidos de

Deben desacoplarse

Produccin de hidrgeno

Fotlisis.

Alternativas

1

Incubacin aerobia

Limitacin de oxigeno - oscuridad

2

Nitrogenadas en m.o fotoheterotroficos

anoxigenicos (purpuras no del azufre

H2 producto final de fermentacin

Bacterias fermentativas

Produccin de H2 de electrones y protones en presencia de luz y ausencia de O2

Derivan produccin de electrones del metabolismo del carbn a H2 si obtienen electrones va fotosntesis

3

Biogas

Mezcla de metano y CO2 de descomposicin

metanognica de desechos orgnicos en condiciones

anaerobias

Limitaciones respecto gas natural

Bajo precio del gas natural

Quema limpia

Altas reservas

3 generacin

Cyanobacteria Alagas verdes

Limitaciones

E. coli Enterobacter aerogenes Clostridium botyricum

Rhodopseudomonas palustris

Brasil es el nico pas que produce biocombustibles a una escala masiva, econmica y competitiva. Debido a: 1) Inicio investigaciones en 1970s llevndolo a acumular gran experiencia industrial 2) la caa de azcar presenta un alto contenido de sacaraosa. No requiere tratamiento enzimtico ni microbiolgico para extraerla. 3) disponibilidad de vastas y frtiles tierras, y clima lluvioso. 4) mano de obra barata y cercana entre sitios de produccin y procesado.

1 Generacin de bioconbustibles

Se incrementan los precios de productos alimenticios. Se incrementaron los cultivos dedicados a energa y no a alimentacin

Se increment el uso de fertilizantes en estos cultivos y con esto los problemas ambientales.

los cientficos se embarcan en la produccin celulsica de etanol

productos que no compiten con la grucultura contiene en general (35-50)% de celulosa, 20-35% de hemicelulosa, y 10-25% de lignina

La lignina no se degrada en condiciones aerobias y debe ser removida en el pretratamiento para incrementar la exposicin de la celulosa y hemicelulosa a la degradacin enzimtica y microbiolgica

Entre los pretratamientos se incluyen peroxidasas alcalinas, acidos concentrados o diludos, lcali, peroxidas alcalinas, oxidacin humedad, explosin de vapor, explosin de fibra por amoniaco, agua lquida caliente, solventes orgnicos.

2 Generacin

La hemicelulosa es un heteropolmero de pentosas, hexosas y azcares cidos. Los xilanos son su forma ms comn, compuesto de un esqueleto que consiste en cadenas de aproximadamente 200 unidades de enlaces 1,4 D xilopiranosa.

Ataca ataca la cadena principal de los xilanos 1,4 xilanasa

Degrada los xilooligosacridos producidos a xilosa xilodasa

Se necesitan para degradar compuestos adicionales y sustituyentes del xilano. Enzimas acesorias

Microorganismo que degradan completamente a

hemicelulosa a xilano

HONGOS

Penicillum capsulatum Talaromyces emersonii

ACTINOMICETES Thermomonospor fusca (Termfilo)

Caldicellulosiruptor saccharolyticus (hiper

termfilo)

La celulosa es un homopolmero linear compuesto de unidades de D-glucosa unidos por puentes 1,4 glucosdicos con una longitus entre 4000-8000 monmeros.

Ataca aleatoriamente puentes internos glucosdicos de la cadena Endo 1,4 gluconasa

Remueve unidades de celobiosa de extremos no reductores de la cadena Exo 1,4 gluconasa

Convierte la celobiosa en glucosa. galactosidasa

Trichoderma Aspergillus

Enzimas usadas industrialmente

La continua manipulacin gentica de microoganismos como Saccharomyces cerevisiae ha permitido generar cepas capaces de tomar varios azcares (modificacin de sus transportadores) dado que las plantas se componen de hemicelulosa precursor de la xilosa y de celulosa precursor de la glucosa.

Se buscan cepas cuyo principal producto de al fermentacin sea alcohol a partir de glucosa como la E. coli TC4.

Cepas como una de E. coli para producir alcohol a partir de hexosas, pentosas y materiales lignocelulsicos tratados enzimticamente A esta se le insertaron genes de Zymomonas que codificaban para enzimas envueltas en la produccin de alcohol.

INTRODUCCIN

La creciente demanda de energa pone en peligro la disponibilidad de energa sostenible para las generaciones futuras.

Desarrollo de nuevos medios de produccin de biocombustibles como una energa renovable. la energa verde es cada vez ms importante

No renovable

Renovable Solucin

INTRODUCCIN

fueron extrados principalmente de los alimentos (almidn y maz)

Primera generacin de los biocombustibles

uso de celulosa, como materia prima para extraer biocombustible, tales como tallos de la cosecha.

Segunda generacin de los biocombustibles

Los biocombustibles a partir de microalgas

Tercera generacin de los biocombustibles

INTRODUCCIN

los biocombustibles a partir de microalgas se compone principalmente de cuatro zonas, que son:

aislamiento y la caracterizacin de las especies de microalgas.

cultivo masivo de microalgas

Cosecha

procesamiento.

INTRODUCCIN Por lo tanto, es muy importante estudiar cmo mantener microalgas en un estado de alta tasa de crecimiento y alto contenido de lpidos.

El estudio de factores, tales como: el aislamiento de especies de microalgas

el mecanismo metablico las condiciones de cultivo

el fotobiorreactor. puede mejorar el desarrollo de biocombustibles a

partir de microalgas

El diseo de un fotobiorreactor ptimo, el desarrollo de catalizadores para la

conversin de lpidos a biodiesel

MICROALGAS

Las microalgas son organismos fotosintticos microscpicos.

Ellos prosperan en hbitats acuticos diversos, que incluyen: agua dulce

salobre (salada 3,5%)

amplia gama de temperatura y pH.

MICROALGAS

Chlorophyta, Bacillariophyta, Xanthophyta. Estos se exceda rica en lpidos (20% ,50%). y protena.

La biomasa de microalgas puede producir biocombustibles, incluyendo:

diesel verde Gasolina verde

combustible para aviacin etanol metano

AISLAMIENTO Y CARACTERIZACIN DE ESPECIES DE MICROALGAS

Lo ideal debe cubrir tres reas principales: La fisiologa y el crecimiento , metabolitos, productos y robustez especies.

UTEX (Coleccin Cultura de Algas en la Universidad de Texas, en Austin, Texas), con cerca de 3000 especies

La fisiologa del crecimiento de las microalgas abarca una serie de parmetros tales como: la tasa mxima de crecimiento especfico,

Mxima densidad celular la tolerancia a las variables ambientales

(temperatura, pH, los niveles de CO2, etc) la variabilidad in situ y el rendimiento en el

laboratorio

BIOSNTESIS Y REGULACIN DE LOS LPIDOS

Triglicridos (TAGs) son la principal fuente (30% y 60% del peso seco)

Los TAGs es el compuesto almacenado en

muchas microalgas bajo condiciones de estrs, como la luz alta o escases de nutrientes

Estudio de ac. grasos y sntesis de lpidos con el

fin de identificar los genes clave, enzimas y vas nuevas implicadas en el metabolismo de los lipidos en especies de microalgas.

La ingeniera gentica puede ser utilizada para

regular metabolismo de los lpidos, para aumentar el contenido de microalgas por la mejora de la va de sntesis de cidos grasos, la regulacin de la Derivacin TAGs sinttico, la inhibicin de la competencia, as como para mejorar la composicin de lpidos.

BIOSNTESIS Y REGULACIN DE LOS LPIDOS

factores que influyen en el cultivo de microalgas:

suministro de luz nutrientes

CO2 pH,

temperatura O2

Tasa de crecimiento

Contenido de lpidos

Luz, N, P, y TC

las condiciones ptimas de cultivo que se debe utilizar para microalgas deben ser aquellos que incremente: tasa de crecimiento y el contenido de lpidos, que son los principales factores que afectan el proceso de biocombustible.

LA LUZ

La luz natural tiene un espectro de luz completo, lo cual es bueno para el cultivo. Una de las desventajas de los naturales la luz es la dificultad de su control, y es demasiado alta en das soleados sobre todo al medioda y demasiado bajo en das de lluvia.

la capacidad de absorcin de luz orden de Chlorella es la luz roja, seguido por

el amarillo.

Ciclo de luz y oscuridad tambin influyen fuertemente el crecimiento y la eficiencia fotosinttica de las microalgas.

NUTRIENTES

carbono (C), oxgeno (O), hidrgeno (H), el nitrgeno (N), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), hierro (Fe), azufre (S), fsforo (P), y elementos traza.

la mxima tasa de crecimiento de Chlorella se encontr con urea y el

contenido mximo de lpidos se encontr que con NaNO3

es mejor elegir NaNO3 como fuente de nitrgeno a partir de una consideracin

de la productividad y contenido de lpidos .

Alta N inhibe la tasa de crecimiento. Posiblemente las microalgas crecen tan rpido con N abundante que P se agota, y por tanto la relacin de N/P se

ve desequilibrado

respiracin de las microalgas se ve afectada negativamente por NH4 +

en muy alta concentracin

CO2 y pH Mayora de

carbono inorgnico

es CO2

pH

OD y temperatura

Ran

go (

5

35

) C

p

tim

o (

25

3

5)

C

La temperatura depende de la especie. OD en el medio puede afectar las superviciencia de las microalgas. Se pueden oxidar 1 o ms enzimas afectando la cadena de transporte de electrones inhibiendo la fotosntesis.

Fotobiorreactor

Diseo busca

ptima transferencia de masa, de luz y circulacin a bajo costo.

Tipos

Maximizar relacin rea/volumen y proveer luz suficiente.

Abiertos Cerrados

Columna Tubular

Productividad 30 veces

ms alta que en sistemas abiertos.

Placa plana

Agitacin Transporte areo

Burbujeante

53W/m2 2400 3200 W/m2 40 W/m2

Transferencia de masa

Canales de rodadura de 15- 30 cm de profundidad

Ruedas de paletas conducen el agua por el circuito, evitar la sedimentacin de micro algas y aumentar la exposicin a la luz y CO2.

De los 60s a 70s se usaron para tratar aguas residuales en Israel USA y otros. De los 80s-90s se uso en China, Japn y USA en cultivo de microalgas con fines medicinales (Sopirulina)

Canales con prufundidad menor a 15 cm es de difcil operacin, mayores a 50 cm es costoso

Es dificil controlar CO2, temperatura, luz, y pH.

La velocidad de flujo se selecciona dependiendo del hundimiento de las microalgas en el medio.

Una velocidad efectiva es de 10-30 cm/s

La intensidad de luz para chlorella es de 4-30 klx y al medio da puede incrementarse hasta 80-120klx.

Se puede dar foto ihnibicin ante una densidad baja de micro algas.

Foto biorreactor abierto

Foto biorreactor cerrado

Productividad 30 veces ms alta que en sistemas abiertos.

La trayectoria de la luz (profundidad del medio) es un importante factor de diseo .

A una menor profundidad se obtiene mayor productividad pero la intensidad de luz afecta el contenido de lpidos

Fotobiorreactor de placa plana Se alinean horizontal o verticalmente. Presentan alta superficie de exposicin y se

alcanzan altas densidades. Cuando estn horizontalmente reciben mas luz

pero son propensos a la foto inhibicin. Cuando se alinean verticalmente mejoran las

eficiencias pero requiere costos materiales rgidos.

Tiene la desventaja de que se tiende a acumular el OD. Adems el volumen total de cultivo es bajo.

Fotobiorreactor de columna Hechos de vidrio, plstico o polietileno. Son similar a los tanques de fermentacin pero necesitan luz interna y

externa. Altura de 2-2,5 m de alto y 20-50 cm de dimetro. Mezlcado con burbujas de CO2 Difulcultad para obtener altas densidades de biomasa. Cuando la densidad empieza a ser alta la luz limita el crecimiento.

COMBINACIONES DE SISTEMAS ABIERTOS Y CERRADOS

Las combinaciones de sistemas son la configuracin ms eficaz para el cultivo

Las combinaciones pueden ser entre cultivos autotrficos y hetertrofos

Dos procesos se utilizan para aumentar la productividad y el contenido de lpidos de las microalgas

Una alta densidad celular se obtiene en el primer paso en fotobiorreactores cerrados con un ambiente controlado.

Las microalgas son expuestos a privacin de nutrientes por estar transferidos a los sistemas abiertos para incrementar el contenido de lpidos.

CONCLUSIONES

Los biocombustibles pueden

obtenerse a partir de diferentes fuentes, pero las microalgas son de gran inters como una de las fuentes ms prometedoras de biomasa para biocombustibles.

Las combinaciones de sistemas son la configuracin ms eficaz para el cultivo

CO2

Produccin de biodisel

BIBLIOGRAFA

Mostafa S. Elshahed. 2011. Microbiological aspects of biofuel production: Current status and future directions. Journal of Advanced Research (1), 103111 ZHU Junying, RONG Junfeng, ZONG Baoning. 2013. Chinese Journal of Catalysis (34) 80100