Ing. Leonardo Ariel Benavidez Mamani - R.N.I. 37636

Ingeniero Industrial de la Universidad Mayor de San Andrés con Maestría en Ingeniería Industrial - Desarrollo Sustentable de Procesos y Productos

RESUMEN

El presente artículo, posibilita comprender una nueva forma de generar bioenergía, resultante de una materia prima no muy conocida, y que en la actualidad aún se encuentra en etapa de investigación y desarrollo. Esta materia está compuesta por microalgas, las cuales pueden ser cultivadas en condiciones extremas o en territorios marginales y no requieren de grandes cantidades de terreno para su cultivo; asimismo, con el concepto de biorrefinería puede aprovecharse al máximo los componentes de las microalgas, con algunas limitaciones, pero que no dejan de ser una promisoria alternativa bioenergética en beneficio de la humanidad y el medio ambiente.

Palabras Clave: Microalgae, biorefinery, biofuel and bioenergy

    Microalgas, biorrefinería, biocombustible y bioenergía

INTRODUCCIÓN

En las últimas cuatro décadas la población del mundo creció en un 79% [1], lo cual conlleva a un incremento en la demanda de recursos energéticos como alimenticios, así como también la búsqueda continua de una mejor calidad de vida; en ese sentido, a fin de no afectar negativamente al medio ambiente, actualmente se tienen varios biocombustibles, que comúnmente son producidos a partir de cosechas de maíz, caña de azúcar y plantas oleaginosas, empleando considerables áreas de terreno cultivable que ponen en duda las ventajas de la utilización de estos biocombustibles frente a una posible crisis en la seguridad alimentaria y a un impacto ambiental por la degradación de los suelos.

Contemplando los problemas medioambientales y algunas de sus causas mencionadas líneas arriba, recientemente se fue considerando una alternativa para la mitigación de algunos de ellos, así como la generación de fuentes bioenergéticas, a partir del cultivo de microalgas, las cuales no son muy conocidas a nivel nacional, motivo por el cual, el presente artículo pretende desarrollar las principales características, beneficios y limitaciones en el ámbito de biocombustibles alternativos.

DESARROLLO

• ¿Qué son las microalgas?

Las microalgas en su mayoría son organismos fotosintéticos unicelulares, que pueden fijar carbono inorgánico disuelto, así como también aprovechar el CO2 de efluentes gaseosos industriales para formar energía química por medio de fotosíntesis, por lo que para su crecimiento precisan de luz (solar o artificial), donde su tasa de crecimiento y fijación de carbono llega a estar entre 10 a 50 veces superior comparado al de las plantas terrestres, siendo que el CO2 absorbido incentiva al crecimiento de las microalgas, y ayuda a la mitigación de gases de efecto invernadero [2].

Las microalgas, pueden crecer en una amplia gama de ambientes acuáticos, como ser agua dulce, aguas salinas y extremadamente salinas, además de soportar altas temperaturas, diferencias de luminosidad y variaciones de pH; la biomasa de microalgas brinda de forma separada o conjunta (siguiendo el concepto de biorrefinería), la generación de uno o varios productos, tales como biocombustibles (biodiesel, bioetanol, biohidrógeno, y biogás), pigmentos y otros que pueden ser utilizados como suplementos alimenticios, cosméticos, y compuestos con fines farmacéuticos [3].

• Características, métodos de cultivo y cosecha

La biomasa de microalgas está compuesta por lípidos, carbohidratos, ácidos grasos poliinsaturados, pigmentos y proteínas [2]. En la Tabla 1, se muestra la comparación entre los componentes principales de las microalgas y algunos alimentos convencionales.

Tabla 1. Componentes generales en porcentaje de material seco de microalgas y alimentos convencionales. Adaptado de [4-6]

Las microalgas pueden ser cultivadas en terrenos no necesariamente agrícolas, así como infértiles, pueden crecer en medios de agua dulce y hasta extremamente saladas, incluso en efluentes residuales (domésticos o industriales), donde el área para su cultivo es relativamente pequeño en comparación con los cultivos convencionales de cómo el maíz, la soja y palma [7].

Los sistemas de cultivo de microalgas (para fines bioenergéticos), comúnmente son de dos tipos, abiertos o cerrados, la primera depende del clima de la región y requieren de un mayor control por la posible contaminación por depredadores o microorganismos, por lo que las altas tasas de producción en sistemas abiertos se consiguen con cepas de algas resistentes al ambiente de cultivo en condiciones severas (alta salinidad, alcalinidad y otros); por otra parte, los sistemas cerrados son cultivos realizados en “fotobiorreactores”, de diferentes tipos, los cuales son caracterizados por poseer condiciones controladas de temperatura, iluminación y adición de nutrientes (entre otros), y pueden evitar la contaminación de microorganismos ajenos al cultivo [8]. A fin de tomar conocimiento de estos sistemas, en la Figura 1, se presentan los mismos.

Figura 1. Sistemas de cultivo, a) Estanques de alta carga de aguas residuales [9] b) Piscinas de recirculación [10] c) Fotobiorreactor de Placa Plana. Foto del Laboratório de Bioenergía y Catálise (LABEC/UFBA) y d) Fotobiorreactor Tubular. Adaptado de [11]

La cosecha de la biomasa producida puede ser realizada por dos procesos (independientes, paralelos o secuenciales), el primero extrae gran parte del líquido el cual contiene nutrientes y otros componentes que son devueltos al proceso de cultivo, en esta etapa que la denominaremos Recolección Primaria, se emplean métodos de sedimentación y tecnologías de flotación, que dan como resultado un lodo de microalgas con contenidos de sólidos totales entre 0.5% a 6.0%, el segundo proceso denominado como Recolección Secundaria, emplea equipos mecánicos de filtración o centrifugación , que se encargaran de retirar una mayor cantidad de humedad dejando la biomasa con un contenido de sólidos totales entre 10% a 20% [12].

• Producción de biocombustibles a partir del concepto de Biorrefinería

El termino biorrefinería deriva del concepto de una refinería de petróleo crudo convencional que recibe material bruto, lo refina y produce una serie de combustibles y materiales petroquímicos, que resultan ser productos de alto valor en el mercado. En ese sentido, de manera análoga, una biorrefinería de microalgas es un sistema integrado que relaciona los procesos de generación de biocombustibles y otros productos con el beneficio de retornar el material residual al ciclo productivo y/o al medio ambiente sin causar impactos negativos (véase Figura 1).

Figura 1. Esquema general de la biorrefinería. Propia autoría.

Entre los principales biocombustibles obtenidos a partir de biomasa de microalgas, destacan los siguientes:

• Biodiesel. Este combustible alternativo por sus características no es tóxico y es biodegradable, es producido a partir de la extracción de lípidos de las microalgas por un método denominado transesterificación [13].
• Bioetanol. Varias especies de microalgas acumulan altos niveles de polisacáridos en sus paredes celulares complejas, o tienen la capacidad de producir altos niveles de carbohidratos en lugar de lípidos, que pueden ser extraídos y fermentados, generando principalmente bioetanol [14].
• Biohidrógeno. El proceso básicamente consiste en dividir moléculas de agua separando los iones de hidrogeno y los electrones, este proceso lo llevan a cabo las microalgas de forma biológica, las cuales tienen la capacidad de emplear la luz y por medio de la fotosíntesis generar hidrogeno como parte de su metabolismo, en un proceso denominado fotofermentación [15].
• Biogás. Este producto se genera por la descomposición de la biomasa de microalgas (pudiendo ser residual de los procesos anteriores) en condiciones anaerobias, en un reactor denominado biodigestor, obteniendo este gas compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono [14].
• Otros productos. En la aplicación de microalgas, se sabe que éstas tienen características y componentes que pueden servir para generar productos con aplicaciones no combustibles, los cuales se resumirían en productos útiles para la nutrición humana, para la alimentación animal o acuicultura, productos farmacéuticos, cosméticos, y productos químicos [2].

• Beneficios y limitaciones

La biorrefinería de microalgas cierra el ciclo de aprovechamiento de la biomasa para generación de diferentes productos (Figura 1), identificándose un proceso respetuoso con el medio ambiente, y que colabora a mitigar los gases de efecto invernadero a partir del secuestro de carbono, así como el posible uso de residuos industriales para el cultivo de microalgas que puede disminuir la polución hídrica aprovechando los microorganismos de los efluentes como fuente de nutrientes.

El sistema productivo integrado puede aplicarse en cualquier región (urbana o rural), por lo que se ve como una adecuada alternativa para la generación de bioenergía en regiones donde el alcance al combustible tradicional es escaso; asimismo, la limitación que hasta el momento evita la instalación de plantas a partir de microalgas a gran escala es el costo de instalación y operación de la misma, debido a que las etapas de cultivo y cosecha  demandan energía, sin embargo la idea de aplicar el concepto de una biorrefinería se torna promisoria para resolver esta limitante.

CONCLUSIONES

Se puede concluir que una biorrefinería de microalgas es un sistema que integra adecuadamente el ciclo de aprovechamiento de la biomasa de este material para la producción de biocombustibles y otros productos, destacando que este sistema es respetuoso con el medio ambiente, buscando su preservación, mitigando los gases de efecto invernadero, la disminución de la polución por residuos industriales y secuestrando el dióxido de carbono del medio ambiente, a la vez que genera productos de significativo valor, sin dejar de lado las limitaciones que evitan hasta el momento la operación de una planta a escala industrial, sin embargo, una biorrefinería puede ser una alternativa acertada considerando las futuras mejoras a los procesos y optimizaciones que se vienen estudiando satisfactoriamente hasta ahora, tal como la producción de biogás a partir de biomasa de microalgas que en un futuro resultaría en un nuevo trabajo de investigación a ser desarrollado.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. WORLDOMETER; World population, Disponible en: <https://www.worldometers.info/es/poblacion-mundial/#region>. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
2. HO, S-H.; CHEN, C-Y.; LEE, D-J.; CHANG, J-S.; Perspectives on microalgal CO2 emission mitigation systems – a review. Biotechnoly Advances, v. 29, p. 189–198, 2011.
3. SKJÅNES, K.; REBOURS, C.; LINDBLAD, P. Potential for green microalgae to produce hydrogen, pharmaceuticals and other high value products in acombined process. Critical Reviews in Biotechnology, Estados Unidos, v. 33, n. 2, p. 172–215, 2013.
4. AIKAWA, S.; IZUMI, Y.; MATSUDA, F.; HASUNUMA, T.; CHANG, J-S.; KONDO, A. Synergistic enhancement of glycogen production in Arthrospira platensis by optimization of light intensity and nitrate supply. Bioresource Technology, v. 108, p. 211–215, 2012.
5. BECKER, E.W. Microalgae as a source of protein. Biotechnology Advances, v. 25, p. 207-210, 2007.
6. GARIBAY, A.; VÁZQUEZ, R.; SÁNCHEZ, M.; SERRANO, L.; MARTÍNEZ, A. Biodiesel a partir de microalgas. BioTecnología, México, v. 13, n. 3, p. 38–61, 2009.
7. RUEDA, R.A. Efecto nutricional de tres microalgas y una cianobacteria en el cultivo del rotífero brachionusplicatilis müller: 1786, Ciencias Marinas, México, v. 22, n. 3, p. 313-328, 1996.
8. WAHAL, S.; VIAMAJALA, S. Maximizing algal growth in batch reactors using sequential change in light intensity. Appl Biochem Biotechnol, v. 161, p. 511–522, 2010.
9. IAGUA. Desarrollan un método de producción de biofertilizantes a partir de microalgas cultivadas en aguas residuales. Disponible en: <http://www.iagua.es/noticias/agricultura/13/10/29/desarrollan-un-nuevo-metodos-de-produccion-de-biofertilizantes-partir-de-microalgas-cultivadas-en->. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
10. ENGINES AND ENERGY CONVERSION LABORATORY. Measurement of direct nitrous oxide emissions from microalgae cultivation. Disponible en: <http://www.engr.colostate.edu/~marchese/algae-n2o.html>. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
11. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Diseñan nuevo fotobiorreactor que mejoraría el cultivo de microalgas. Disponible en: <https://minas.medellin.unal.edu.co/noticias/1673-disenan-nuevo-fotobiorreactor-que-mejoraria-el-cultivo-de-microalgas>. Fecha de acceso: 16 nov. 2022.
12. WILEY, P.E.; CAMPBELL, J.E.; MCKUIN B. Production of biodiesel and biogas from algae: A review of process train options. Water Environment Research, v. 83, n. 4, p. 326-338, 2011.
13. GRIFFITHS, M.J.; HARRISON, S.T.L. Lipid productivity as a key characteristic for choosing algal species for biodiesel production. Journal of Applied Phycology,v. 21, n. 5, p. 493-507, 2009.
14. UGGETTI, E.; SIALVE, B.; TRABLY, E.; STEYER, J-P. Integrating microalgae production with anaerobic digestion: a biorefinery approach. Biofuels Bioproducts & Biorefinig, 2014.

VOLGUSHEVA, A.; STYRING, S.; MAMEDOV, F. Increased photosystem II stability promotes H2 production in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, v. 110, n. 18, p. 7223-7228, 2013.