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Revision deL tema de biocombustibles con base en dos artículos referenciados en la literatura. Citados al final de la presentación.
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