Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas OleaginosasParte 2. Bioproceso y EspecifidadesReinhardt Acuña Torres

Biocombustibles

Los biocombustibles son combustibles que se producen orgánicamente y a diferencia de los combustibles fósiles son una fuente de energía renovable. La fuente orgánica de los biocombustibles proviene de la biomasa (materia orgánica originada en un proceso biológico) utilizable como fuente de energía; esta pude ser, especies de uso agrícola, tales como: maíz o mandioca (yuca), ricas en carbohidratos; caña de azúcar o remolacha, ricas en azucares; o plantas oleaginosas como la soja, girasol y palma aceitera, ricas en aceites. El biodiesel es un biocombustible sintético líquido fabricado, mayormente, a partir de aceites vegetales de plantas oleaginosas (soja, palma, etc.), el cual, actualmente representa una buena opción para reemplazar al diesel convencional y combatir las problemáticas relacionadas con la contaminación ambiental y el efecto invernadero. El biodiesel es completamente biodegradable y no contribuye al efecto invernadero por el hecho de que, no emite ese tipo de gases al medioambiente; y si bien produce CO2, por efecto de la combustión; éste es rápidamente absorbido por las plantas vegetales, a diferencia del diesel convencional. Se calcula que en 20 días, se puede lograr una eliminación completa; es decir, en 20 días no quedarán rastros de la combustión con biodiesel.La pregunta que surge es ¿Por qué entonces el biodiesel no se utiliza a gran escala como combustible, siendo tan amigable con el ambiente? La respuesta, como siempre, en la actualidad, es basada solamente en aspectos económicos; porque aún no se puede producir biodiesel a gran escala, al mismo precio del diesel convencional; para abastecer una producción a gran escala, se necesitarían muchas hectáreas de plantaciones para producir el aceite requerido para fabricar el biocombustible; eso sin mencionar que por ejemplo, la soja y la palma, entre otros, son considerados alimentos por lo cual, muchas personas consideran una aberración utilizarlos para producir energía, mientras aún hay gente en el mundo que muere de hambre. En ese sentido, la producción de biocombustible a partir de microalgas ofrece tanto a investigadores como a empresarios una serie de posibilidades promisorias:

1- Muestra de biodiésel

2- Productividad por hectárea de diferentes tipos de cultivos oleaginosos

Alta productividad por hectárea, en comparación con los cultivos tradicionales Estos microorganismos pueden acumular hasta un 70% de lípidos en relación a su

peso seco Materia prima basada en usos “non-food”  Uso de tierras no productivas o no arables Utilización de un amplio rango de tipos de agua (dulce, salobre, marina y residual)  Producción de varios tipos de biocombustibles y subproductos valorizables.

Bioproceso

Como se observa en el esquema de cultivo y producción, el bioproceso de producción de biodiesel a partir de microalgas oleaginosas, consta de varias etapas claramente diferenciadas.

1. Cultivo de Microalgas 2. Crecimiento en Fotobioreactores3. Cosechado de Microalgas4. Procesado de Biomasa5. Producción de Biocombustible

Cultivo de Microalgas

Para efectos del bioproceso de producción de biocombustible algal, el cultivo de microalgas debe separarse en dos procesos.

1. Cultivo en Estanques

Abiertos Cerrados

2. Cultivo en Fotobioreactores

3- Bioproceso de producción de biodiesel

Tubulares Horizontal Vertical

Panel Plano Columna Vertical Columna de Burbujas Levantamiento por Aire Tanque Agitado Lecho Inmovilizado Otros

De todos ellos, el  fotobiorreactor tubular es el más ampliamente utilizado para el cultivo cultivo masivo de  microalgas.

Cultivo en Estanques

Cultivo en Estanques Abiertos

El cultivo de algas en estanques abiertos puede ser categorizado en dos:

1. Aguas naturales (lagos, lagunas, estanques) y 2. Estanques artificiales o contenedores.

 Estanques Abiertos de Aguas Naturales

Entre las principales ventajas de los estanques abiertos están que son más fáciles de construir y operar, si se les compara con la mayoría de los sistemas cerrados. Las desventajas son la deficiente utilización de la luz por las células en cultivo; las pérdidas por: evaporación, difusión de CO2 a la atmósfera; y la exigencia de grandes extensiones de tierra.

Estanques Abiertos Artificiales

Los estanques o contenedores en los que las microalgas se cultivan de manera artificial o asistida son por lo general, del tipo "pista de carrera". Se denominan así porque la biomasa (las microalgas, el agua y los nutrientes) fluye por el sistema como si circulara por una pista de

carreras.  Ruedas de paletas motorizadas proporcionan el flujo para que las microalgas circulen y se mantengan suspendidas en el agua. Los estanques de cultivo son poco profundos ya que, deben permitir que las microalgas se mantengan expuestas a la luz solar y que ésta pueda penetrar el agua del estanque y alcanzar a todas las células en cultivo, a una

4- Estanque abierto del tipo "pista de carrera"

profundidad limitada. Los estanques artificiales son operados de manera continua por lo que, el CO2 y los nutrientes son constantemente alimentados a los estanques; mientras que, las microalgas que contienen agua son eliminas por el otro extremo; para mantener el principio de flujos iguales en el estado estacionario.

Cultivo en Estanques Cerrados

Una alternativa a los estanques de cultivo abiertos son los estanques cerrados; eso es, cubrir el estanque o la piscina con efecto invernadero, para el control sobre el medio ambiente sea mucho mejor (que con los estanques abiertos). Los sistemas de estanque cerrado cuestan más que las lagunas abiertas, pero mucho menos los fotobioreactores para las áreas similares de operación. Permiten cultivar más especies o que, la especie que se cultiva permanezca dominante; extiende la temporada de crecimiento y si hay calefacción, se puede producir durante todo el año. En los sistemas cerrados es posible aumentar la cantidad y la concentración de dióxido de carbono lo que, aumenta la tasa de crecimiento de las microalgas.

Crecimiento en Fotobioreactores

Un fotobioreactor es un sistema cerrado de cultivo biológico que incorpora algún tipo de fuente de luz y control de su ambiente interno. En ese sentido, un estanque cerrado, tal como, laguna cubierta con efecto invernadero, podría ser considerada como una forma poco sofisticada de foto bioreactor; por lo que, el control preciso del ambiente interno, establece la diferencia.  Los principales factores que se deben controlar son los que determinan la tasa de crecimiento de las microalgas.

Especie Cultivada - los diferentes tipos de microalgas (especies) tienen diferentes tasas de crecimiento.

Luz - indispensable para el proceso de la fotosíntesis. Fotoperíodo – son los ciclos de luz y de oscuridad, indispensables para el

metabolismo celular. Temperatura - hay un rango de temperatura y una temperatura optima que

requiere el cultivo para crecer. Medio / Nutrientes – el medio de cultivo debe tener una  composición específica

que maximice el crecimiento de los microorganismos al menor costo. El Agua - existen especies de microalgas de agua dulce y de agua salobre; por lo

que, la salinidad de agua es una consideración importante. pH - las microalgas tienen un rango de acidez cuyo pH varía entre 7 y 9; así como

un pH óptimo para tener una tasa de crecimiento óptima, según sea la especie cultivada.

Aireación - las microalgas tienen necesidad de estar en contacto con el aire para eliminar sus emisiones de CO2. No obstante un exceso de aireación puede ocasionar una disminución del crecimiento por inhibición por O2.

Inyección de CO2 – las microalgas metabolizan el CO2 disuelto en el agua para producir azucares vía fotosíntesis.

Mezclado – el mezclado impide la sedimentación de las microalgas y asegura que de todas las células en el cultivo estén igualmente expuestas a la luz.

El conjunto generalizado de las condiciones para el cultivo de microalgas es el siguiente

Parámetro Rango Optimo

Temperatura (°C) 16-27 18-24

La salinidad (g/l) 12-40 20-24

Intensidad de la luz (lux)

1,000-10,000(Depende del volumen y densidad) 2,500-5,000

Fotoperiodo (luz: oscuridad, horas)  

16:08 (mínimo)24:0 (máximo)

pH 7-9 8.2-8.7

Fuente: http://www.fao.org/docrep/003/w3732e/w3732e06.htm

Características Principales de los Fotobioreactores Para el Cultivo de Microalgas

Para alcanzar una alta productividad de biomasa, El volumen de las partes no iluminadas del fotobioreactor debe ser minimizado. Para lograr una alta eficiencia en el uso de la luz para el cultivo de las microalgas, El fotobioreactor debe contar con una iluminación uniforme para toda la superficie de

cultivo. Para alcanzar tasas de transferencia de masa de CO2 y O2 rápidas, El fotobioreactor debe tener un sistema de mezclado eficiente. Deben alcanzarse tasas altas de transferencia de masa pero sin, Dañar el cultivo de celular, ni reprimir su crecimiento. Para evitar el decaimiento de la luz que se transmite a la superficie del fotobioreactor, El fotobioreactor debe tener un sistema interno de limpieza y esterilización; o bien, Deben ser frecuentemente cerrado para su limpieza mecánica y esterilización.

Componentes de Sistema y Subsistemas de los Fotobioreactores Para el Cultivo de Microalgas Un fotobioreactor para el cultivo de microalgas es un sistema complejos compuesto por sistemas principales y sus respectivos subsistemas. 

Los sistemas principales son:

Sistema de iluminación Sistema de transmisión óptico Sistema de tratamiento de aire estéril Sistemas de intercambio de gases Sistema de mezclado Sistema de Nutrientes 

Sistema eléctrico Instrumentación del sistema

Los principales sub-componentes del sistema anterior son:

Sensor de oxígeno disuelto Sensores de CO2 disuelto Sensor de temperatura Sensor de pH Sensor de luz Sensor de conductividad Bomba de recirculación Bomba de Cosecha Válvula de inyección de CO2 Bomba de Sustrato Válvula de recirculación de filtrado Válvula de entrada de agua Válvula de purga de agua Conectores y mangueras Sistema de liberación de oxígeno Sistema de alimentación del tanque PLC Panel de control

Para garantizar una operación óptima, tanto sistemas como subsistemas deben interactuar; por ejemplo, el sistema de transmisión óptica y el sistema de intercambio de gases interactúan a través de la mezcla que se produce en la zona de reacción.

Cosechado de las Microalgas

El término recolección de algas se refiere a la concentración de la suspensión celular de microalgas hasta lograr una “pasta gruesa” conocida como pasta de algas. La separación de las microalgas de su medio de cultivo es conocido como la cosecha. Los métodos de cosecha dependen principalmente del tipo de algas. El alto contenido de agua de la biomasa debe ser removido para permitir la recolección. Para la recolección de microalgas a partir de algas   de cultivo  en estanques o fotobioreactores se deben emplear varias técnicas para concentrar las microalgas seguido de la cosecha.

El bioproceso de la cosecha consta de varios procesos en operaciones unitarias Filtración Centrifugación Flotación Floculación

5- Esquema de una sección de un fotobioreactor tubular

6- Esquema de un fotobioreactor tubular instrumentado

Estas operaciones unitarias deben ser eficientes en energía y relativamente baratas para que el bioproceso sea rentable; por eso la selección de cepas es un aspecto importante.Normalmente, la cosecha de microalgas es un bioproceso de un paso; pero cuando el contenido de agua en la biomasa (peso húmedo) es muy alto, el bioproceso de cosecha se realiza dos pasos: recolección y desecación. 

Filtración de Microalgas

La filtración es un proceso de separación de sólidos en suspensión en un líquido a través de un medio poroso que retiene los sólidos, pero permite el paso del líquido. El proceso de ultrafiltración tangencial cerámica (UFTC) se aplica en procesos en donde la alimentación contiene un alto nivel de carga; es decir, es un influente con alto contenido de sólidos en suspensión (SS). Un equipo de UFTC se compone de dos depósitos de acumulación, un sistema de bombeo de presión y los filtros cerámicos; también debe existir un sistema hidráulico secundario que se encarga de limpiar

las membranas a

contracorriente, para mantener el rendimiento del sistema. Arriba, un sistema UFTC consta de las siguientes etapas.

RETENIDO: tanque donde se admite la alimentación (biomasa o cultivo celar) y mediante una sonda de nivel, se va aportando el fluido, en la medida que, el circuito de control así lo determina.

7- Bioproceso de extracción de aceite de microalgas en un solo paso. Se aprecia en el “globo” que se utiliza un método poco frecuente de separación, la electroforesis.

8- Proceso de secado de la pasta de microalgas: segundo paso.

9- Esquema del mecanismo de separación por filtración tangencial, un método de filtración en el que un medio filtrante es una membrana polimérica que permite dividir una corriente de fluido y sólidos (feed), en una de fluido limpio (permeate) y otra de mezcla concentrada (retentate).

BOMBA: realiza la recirculación del caldo de cultivo (biomasa) a la velocidad tangencial requerida por el fabricante de las membranas.

FILTRO UFTC: realiza la separación de flujos. El concentrado hacia el retenido y el diluido hacia el filtrado.

FILTRADO: depósito del flujo filtrado que contiene la solución diluida de la biomasa.

Abajo una ilustración que representa un filtro de membranas cerámicas

El flujo de entrada se hace de forma axial con lo cual, las partículas inciden de forma tangencial en la membrana; eso provoca la separación de las partículas líquidas (azules) de las sólidas (rojas); en consecuencia, se separa el caudal de entrada (flujo concentrado)

del caudal de salida (flujo diluido) en dos corrientes; la de concentrado que vuelve al retenido y la filtrado que va al filtrado.

 Coagulación y Floculación

La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. El proceso de floculación es precedido por el de coagulación; por eso, se suelen asociar ambos procesos como uno solo proceso de coagulación-floculación. Los procesos de coagulación-floculación facilitan el retiro de sólidos en suspensión y de las partículas coloidales.

La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí.

La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados sedimentadores.

Los factores que afectan los procesos de coagulación-floculación son:

El gradiente de la velocidad: da más tiempo para que las partículas desciendan por efecto de la gravedad y así se acumulen en el fondo.

El tiempo: aumenta la probabilidad de que las partículas se unan. El pH: es un factor prominente en acción desestabilizadora de las sustancias

coagulantes y floculantes.

La solución floculante más adaptada a la naturaleza de las materias en suspensión permite conseguir aguas decantadas más limpias y la formación de lodos más espesos. La solución floculante más adaptada se determina por pruebas; ya sea, en laboratorio o

10- Arriba: esquema de un sistema UFTC. Abajo: esquema de un filtro de membrana cerámica

11- Izquierda: Coagulación. Derecha: Floculación

en el campo. Tratándose del cultivo de microalgas, la floculación hace que las células se agregan en grupos más grandes, llamados flóculos, que son más fáciles de filtrar y o resolver con mayor rapidez. La floculación iónica es un proceso por el cual se modifican las moléculas disueltas en un fluido, por la acción floculadores iónicos. Éstos son elementos de materiales compuestos por tubos de acero inoxidable, plata o cobre que, conectados en su extremo a polos de corriente directa (positiva o negativa), que, sumergidos en el fluido producen un campo de baja intensidad de actividad iónica constante, que incrementa la energía de los electrones de enlace; ocasionado la coagulación. La floculación iónica es un proceso que fácilmente puede ser adaptado al cultivo de microalgas.

Centrifugación

La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza rotativa, la cual imprime a la mezcla con una fuerza mayor que la de la gravedad, provocando la sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad. La centrifugación puede utilizarse como método de separación de las microalgas de su medio de cultivo; para eso debe utilizarse una centrifugadora para lograr que las microalgas se depositen en el fondo del depósito. Existen 2 grandes tipos de centrífugas:

1) Centrífugas De Sedimentación:

Esta contiene un cilindro o un cono de pared sólida que gira alrededor de un eje horizontal o vertical. Por fuerza centrífuga, una capa anular de líquido de espesor fijo se sostiene contra la pared. A causa de que esta fuerza es bastante grande comparada con la de la gravedad, la superficie del líquido se encuentra esencialmente paralela al eje de rotación, independientemente de la orientación de la unidad. Las fases densas "se hunden" hacia fuera y las fases menos densas se levantan hacia dentro. Las partículas pesadas se acumulan sobre la pared y deben retirarse continua y periódicamente.

12- Depósitos de floculación iónica

13- Decantación centrífuga con bol imperforado:

La fuerza centrífuga acelera el proceso de la sedimentación por gravedad. Hay una mezcla de fases con densidades diferentes que se permiten sedimentar en el bol. En una decantadora centrífuga, los sólidos más pesados pasan por el líquido y acumulan sobre el pared del bol. Si hay dos líquidos inmiscibles, el líquido más ligero migra hacía el eje de rotación del bol.

2) Centrífugas De Filtro:

Estas operan como el tambor de rotación de una lavadora doméstica. La pared de la canasta está perforada y cubierta con un medio filtrante, como una tela o una rejilla fina, el líquido pasa a través de la pared impelido por la fuerza centrífuga dejando una torta de sólidos sobre el medio filtrante. La rapidez de filtración se incrementa con esta fuerza y con la permeabilidad de la torta sólida. Algunos sólidos compresibles no se filtran bien en una centrífuga a causa de la deformación que sufren las partículas por la acción de la fuerza centrífuga, por lo que la permeabilidad de la torta se ve reducida considerablemente. La cantidad de líquido que se adhiere a los sólidos después que éstos se han centrifugado depende también de la fuerza centrífuga aplicada; en general, el líquido retenido es considerablemente menor que el que queda en la torta que producen otros tipos de filtros.

14- Filtración centrífuga con canasta perforada:

La fuerza centrífuga genera una presión que empuja el líquido a través de la torta de sólidos, la guarnición filtrante, la rejilla, y las perforaciones de la canasta. La guarnición filtrante captura las partículas de sólidos dentro de la canasta giratoria.

15- Una centrífuga es un dispositivo útil para la extracción de biolípidos de micro algas y para la separación química de biodiésel; junto con un homogeneizador es capaz de separar los biolípidos y otros materiales útiles de la solución de cultivo de microalgas.

El Proceso de Extracción de Aceite de las Microalgas

El proceso de extracción de aceite (biolípidos) a partir de microalgas oleaginosas es el punto espinoso para determinar la viabilidad del biodiesel a base de algas como un bioproceso productivo y rentable; eso por cuanto es la parte más costosa del proceso. Pero en términos de concepto, es bastante simple. El bioproceso de la extracción puede realizarse por dos métodos:

1. Métodos mecánicos

Los métodos mecánicos pueden ser:

Prensa mecánica Extracción

asistida por ultrasonido

2. Métodos químicos

Los métodos químicos pueden ser:

Extracción por solvente (hexano)

Método Soxhlet (extracción por arrastre con vapor)

Extracción por fluido supercrítico (CO2) 

Cada método tiene sus ventajas e inconvenientes: 

La prensa mecánica requiere secar las micro algas y utiliza energía intensiva; pero el aceite obtenido es limpio y “virgen”.

El uso de solventes químicos presenta cuestiones de salud y seguridad humana y animal; pero para el uso como biodiésel, esos cuestionamientos no son válidos.

La extracción supercrítica requiere de equipos de alta presión que son cotosos y también consume mucha energía; pero puede aplicarse en con gran facilidad de extracción en sistemas cerrados o continuos. 

Métodos Mecánicos

Prensa Mecánica

16 - Esquema prensa mecánica del tipo tornillo sin fin

El método mecánico de extracción más simple es el prensado; también es conocido como “expresión”. En el bioproceso de expresión la biomasa es sometida a una presión diferencial que ocasiona la ruptura de las células y libera el material que estas contienen. La operación de prensado puede ser “artesanal” en operaciones por tandas “batch”, o en una operación continua, con equipos de prensado del tipo:

Tornillo sin fin de: Alta presión Baja presión, Extractor expulsor, Extractor centrífugo, Extractor decantador y Rodillos de prensa.

Extracción con Ayuda de Ultrasonidos 

Modernamente la extracción es asistida con métodos ultrasónicos, el ultrasonido es una rama de sonoquímica puede acelerar enormemente los procesos de extracción. Las ondas ultrasónicas se utilizan para crear burbujas de cavitación en el medio de cultivo; cuando estas burbujas colapsan (estallan) cerca de las paredes celulares, se crean ondas de choque y chorros de líquido que hacen que las paredes de las células se rompan y liberen su contenido en el medio de cultivo.

Métodos Químicos

Extracción con Solvente (hexano)

El aceite de las microalgas puede ser extraído por medio de productos químicos como solventes,  tradicionalmente se utilizan benceno y el éter pero, para microalgas, el hexano ha probado ser un producto químico popular y es relativamente barato. El hexano como disolvente de extracción se puede utilizar.

De forma aislada o Junto con la prensa de expresión de aceite. 

De forma aislada:

La biomasa previamente debe de ser molida, macerada o picada, para crear una mayor área de contacto entre el sólido y el solvente. El proceso debe procurar el material orgánico esté en contacto con el solvente (hexano) y en movimiento continuo (agitación) para lograr mayor eficiencia en la operación. La operación se realiza preferiblemente a temperatura y presión ambiente, debido a la volatilidad e inflamabilidad del hexano. La operación se realiza por lotes o tandas. El aceite y el hexano se separan por medio de la destilación y puede ser reutilizado. 

Junto con la prensa de expresión de aceite:

Primero se realiza la extracción del aceite por expresión en prensa; la pasta restante se mezcla con ciclo-hexano para extraer el contenido de aceite restante. El aceite se disuelve en el ciclohexano y la pulpa se filtra fuera de la solución. El aceite y el ciclohexano se separan por medio de la destilación. Con la combinación de los dos métodos (prensado en frío y solvente hexano) se puede extraer más del 95% del total de aceite presente en las micro alga s .

 Extracción Soxhlet

El método Soxhlet de extracción utiliza una combinación de destilación fraccionada con solventes químicos. El aceite de las microalgas se extrae destilando con reflujo a través de varias etapas, con un disolvente orgánico como hexano o éter de petróleo.

Extracción por Arrastre con Vapor

La destilación por arrastre de vapor de agua se basa en la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". La vaporización se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla; por eso se le denomina "vapor de arrastre"; pero en realidad, su función no es la de "arrastrar" el componente volátil, sino, más bien, la de condensar el vapor en un contenedor, formando otra fase inmiscible que, cederá su calor latente a la mezcla a destilar, para lograr su evaporación. Es decir, se tendrán dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa); por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente; eso es, cada líquido ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. La presión total del sistema será la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla orgánica y del agua. La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente. En el caso de las microalgas, el arrastre por vapor de agua busca la vaporación selectiva del aceite esencial (componente volátil) de una mezcla formada por la pasta de biomasa de microalgas y agua.

17- Esquema de aparato de Extracción Soxhlet industrial

Extracción con Fluido Supercrítico (CO2)

Un fluido supercrítico (FSC) es cualquier sustancia que se encuentre en condiciones de presión y temperatura superiores a su punto crítico. Los fluidos supercríticos tienen propiedades que los hacen “híbridos” entre un líquido y un gas; se pueden difundir como un gas y disolver líquido. La Tabla 1 muestra las propiedades de algunos FSC comúnmente usados.

Tabla 1. Propiedades críticas de varios solventes (Reid et al, 1987)

SolventePeso molecular

Tº crítica

Presión crítica

Densidad crítica

g/mol K MPa (atm) g/cm3

Dióxido de carbono (CO2)

44,01 304,1 7,38 (72,8) 0,469

Agua (H2O) 18,02 647,3 22,12 (218,3)

0,348

Metano (CH4) 16,04 190,4 4,60 (45,4) 0,162

Etano (C2H6) 30,07 305,3 4,87 (48,1) 0,203

Propano (C3H8) 44,09 369,8 4,25 (41,9) 0,217

Etileno (C2H4) 28,05 282,4 5,04 (49,7) 0,215

Propileno (C3H6) 42,08 364,9 4,60 (45,4) 0,232

Metanol (CH3OH) 32,04 512,6 8,09 (79,8) 0,272

Etanol (C2H5OH) 46,07 513,9 6,14 (60,6) 0,276

Acetona (C3H6O) 58,08 508,1 4,70 (46,4) 0,278

La Tabla 2 muestra densidad, difusividad y viscosidad de líquidos típicos, gases y fluidos supercríticos.

Tabla2. Comparación de Gases, Fluidos Supercríticos y Líquidos1

Densidad (kg/m3)

Viscosidad (µPa∙s)

Difusividad (mm²/s)

Gases 1 10 1-10

Fluidos Supercríticos

100-1000 50-100 0,01-0,1

Líquidos 1000 500-1000 0,001

18- Esquema de una planta industrial de extracción por arrastre con vapor de agua.

19- Diagrama de fases. En la parte superior derecha se ve el fluido supercrítico.

Por su facilidad y disposición, la sustancia más empleada es el CO2 que en condiciones supercríticas presenta baja viscosidad, baja tensión superficial, alto coeficiente de difusión (10 veces más que un líquido normal) lo que conlleva a un alto contacto con la superficie del material y permite penetrar en pequeños poros y rendijas, lo que asegura una buena eficiencia en la extracción en el corto tiempo. Al final del proceso se remueve el total del solvente (CO2), si se realiza a una temperatura baja, se disminuye la pérdida de sustancias volátiles y se evita la formación de sabores y olores extraños “a cocido”.

Biodiesel de algas

El biodiesel se refiere a cualquier biocombustible equivalente al diesel hecho a partir de materiales biológicos renovables tales como: aceites vegetales o grasas animales. El biocombustible consiste en larga cadena de hidrocarburos saturados; puede ser utilizado en su estado puro (B100) o mezclado con diesel de petróleo en cualquier concentración. Tradicionalmente, el biodiesel se fabrica a partir de cultivos de plantas oleaginosas como el maíz, la soja o la palma aceitera; sin embargo, el biodiesel hecho a partir de eso cultivos, presenta problemas socioeconómicos como el desplazamiento de los alimentos destinados al consumo humano y la cantidad de cultivos que se necesita para producir un galón de aceite. Es esa una de las razones por las que las algas son hoy día reconsideradas como materia prima para aceite. Además de que su rendimiento es muy superior al de cualquier otro cultivo tradicional  (DOE: Departamento de Energía, Gobierno de EE.UU. ha informado de que las microalgas tienen un rendimiento 30 veces superior en  energía por hectárea que los cultivos de tierra como la soja o e maíz; algunos estiman incluso rendimientos mayores a 15.000 galones por acre). Vea más: http://www.oilgae.com/algae/oil/biod/large_scale/large_scale.html

20- Esquema de proceso industrial de extracción por CO2 supercrítico.

21- Esquema del proceso de producción de biodiesel a partir de micro algas.

Una vez que las algas se cultivan y

cosechan, hay diferentes maneras de extraer el aceite; sea cual sea, el método utilizado para la extracción del aceite, el producto resultante es un aceite vegetal llamado "crudo verde", similar al petróleo crudo, el cual se transforma en biodiesel a través de un proceso de transesterificación.

Transesterificación

El proceso de conversión aceites vegetales en combustible biodiesel se denomina transesterificación y es, afortunadamente, mucho menos complejo de lo que parece. El término transesterificación se refiere a una reacción química entre un éster de un alcohol y un segundo alcohol para formar un segundo éster de alcohol y un alcohol del éster original; por ejemplo, acetato de metilo y alcohol etílico para formar acetato de etilo y alcohol metílico. En el caso de los aceites esenciales de las microalgas, la transesterificación significa tomar una molécula de triglicéridos o ácidos grasos complejos (aceite esencial), neutralizando los ácidos grasos libres (producto de la reacción) y eliminando la glicerina (subproducto de la reacción) y la creación de un éster de alcohol. Eso se logra mezclando metanol con hidróxido de sodio para formar metóxido de sodio; éste se mezcla con el aceite vegetal; se permite que la mezcla reaccione; luego la mezcla se separa por decantación; el

22- Transesterificación del aceite esencial de microalgas en biodiesel.

producto se queda arriba (fase orgánica) y la glicerina en la parte inferior (fase acuosa); los ésteres de metilo se recogen como biodiesel y la glicerina se puede utilizar para hacer jabón o cualquiera de otros 1600 productos que tienen su base en este compuesto. Posteriormente, los ésteres metílicos se lavan y se filtran para su utilización como producto terminado (B100).

Características del biodiesel de microalgas:

Prácticamente no contiene azufre, Tiene propiedades lubricantes superiores, Tiene propiedades disolventes más agresivas que diesel de petróleo El biodiesel de microalgas tiene entre 5% y 8% menos densidad de energía que el

diesel de petróleo de pero, su eficiencia de combustión es más alta El biodiesel de microalgas tiene una mejor lubricación, Compensando, la disminución total de su eficiencia de combustible  es de tan sólo 2%, El punto de nube (temperatura a la cual el biodiesel puro (B100)  se gelifica) es de

unos 0°C, El punto de inflamación (menor temperatura a la que se puede evaporar para formar

una mezcla inflamable en el aire) del biodiesel de microalgas es de 130°C, significativamente mayor que la del diesel de petróleo que es de 64°C,

Ventajas del Biodiesel Producido A Partir de Microalgas:

Rendimientos más altos  El biodiesel  de microalgas reduce las emisiones de partículas alrededor de un 47% en

comparación con el diesel de petróleo,  El biodiésel microalgas tiene menos peligrosas partículas en suspensión, El biodiésel microalgas reduce la fracción de carbono sólido en el aire, El biodiésel microalgas aumenta la cantidad de oxígeno en el aire, producto del

proceso de fotosíntesis, El biodiésel microalgas disminuye la cantidad de dióxido de carbono en el aire,

producto del proceso de fotosíntesis.