El potencial del proceso de desafío económico “Defensor mundial de la acuicultura

Todavía existen desafíos tecnológicos para la producción a gran escala de microalgas

Si bien la mayor parte de la producción comercial de microalgas tiene lugar en estanques abiertos, los sistemas de competencia cerrados pueden ofrecer un mayor control ambiental. (Foto cortesía del Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU.)

Los costos de la energía, especialmente el petróleo crudo, han aumentado considerablemente y el consumo mundial de combustibles fósiles sigue aumentando. Utilizando las estimaciones de petróleo crudo del Departamento de Energía de EE. UU. De las reservas mundiales probadas y el consumo mundial diario, se puede proyectar que las tasas de consumo de petróleo crudo recientes agoten las reservas mundiales probadas en unos 36 años. La necesidad de combustibles alternativos sostenibles ha llamado recientemente la atención del público sobre la posibilidad de cultivar microalgas para la producción de biocombustibles, especialmente biodiesel. El potencial de las microalgas existe, pero es necesario abordar los desafíos tecnológicos y otras barreras para que la producción de microalgas a gran escala se convierta en una realidad comercial.

Producción de algas

Si no se producen algas, que actualmente son importantes para los biocombustibles, se cultivarán varios miles de toneladas cada año. Estas algas se utilizan para fabricar nutrientes, aditivos alimentarios o complementos alimenticios. Varias especies de microalgas comúnmente producidas incluyen: Espirulina, Clorella, Dunaliella y Hematococcus.

Aproximadamente la mitad de estas algas se producen en China. El resto se cultiva en Japón, Taiwán, Estados Unidos, Australia e India. Las microalgas también se cultivan en cantidades mucho menores en alimentos de rotifors, zooplancton o larvas de camarones y bivalvos.

Hay dos sistemas principales para la producción de microalgas: fotobiorreactores y estanques abiertos. Los sistemas fotobiorreactores son más comunes principalmente porque son adecuados para la producción a pequeña escala. Son utilizados con mayor frecuencia por laboratorios gubernamentales y universitarios y pequeños proyectos de investigación y demostración. Sin embargo, la mayor parte de la producción comercial a gran escala de biomasa de microalgas tiene lugar en estanques abiertos.

Los sistemas fotobiorreactores son sistemas cerrados e independientes que bombean continuamente agua que contiene algas a través de tubos transparentes, esferas o bolsas de plástico de varios tamaños, donde las algas se exponen a la luz para crecer. Martek Corp., con sede en Kentucky. produce algas a través de un proceso de fermentación en el que las algas reciben almidón / azúcar en ausencia de luz para producir ácidos grasos omega-3 para el mercado alimentario.

Combustibles de microalgas

Las microalgas pueden convertirse en una variedad de combustibles. Estos incluyen hidrógeno, metano, biodiésel / aceite y etanol. No existe una tecnología comercial probada para el hidrógeno. El metano se puede generar eficazmente a partir de algas en estanques de tratamiento de aguas residuales. Si bien era posible producir etanol a partir de almidones y azúcares de algas, se han realizado pocos esfuerzos para producir etanol a partir de algas. El trabajo reciente se ha centrado en el desarrollo de biodiésel de lípidos / ácidos grasos, que pueden producir ciertos tipos de microalgas.

Existe una percepción generalizada de que la futura escasez de energía en los Estados Unidos podría solucionarse con el «barro» o musgo que se encuentra en la mayoría de los estanques. Desafortunadamente, muy pocas especies de algas contienen suficiente aceite para ser un candidato adecuado para la producción de biocombustible. Aquellos con un alto contenido de aceite crecen muy lentamente. Las cepas de algas deben seleccionarse y / o desarrollarse cuidadosamente.

Tres características muy importantes son el alto contenido de aceite, la máxima producción de biomasa y la facilidad de recolección. Las algas deben funcionar bien en monocultivos y ser resistentes a la contaminación por especies indeseables. Las especies de algas también deben tolerar las condiciones ambientales en la granja: nivel de luz, concentración de oxígeno, temperatura, calidad del agua.

Requerimientos de recursos

Se necesitan algunos recursos básicos para la producción a gran escala de biomasa de microalgas. El clima debe fomentar un buen crecimiento de algas. Las temperaturas anuales deben ser lo suficientemente cálidas para fomentar un crecimiento rápido y a largo plazo. Debe haber suficiente luz solar para la fotosíntesis permanente. Se necesitan grandes cantidades de agua para llenar y rellenar los estanques.

La construcción de un estanque requiere una topografía relativamente plana con suelos arcillosos adecuados. Por último, pero no menos importante, se necesitan reservas de carbono grandes y fácilmente renovables en el sitio para mantener la fotosíntesis de algas y la producción de petróleo en un entorno de estanque extremadamente eutrófico.

Verter un vial de algas en un estanque de 1 hectárea no identifica de manera confiable las especies de algas deseadas. Los cultivos iniciales, que representan el 1-2% de la biomasa de cultivo esperada, se cultivan primero en fotobiorreactores. Estos cultivos iniciadores se utilizan para sembrar sistemas intermedios de estanques / pistas de carreras o se añaden directamente a estanques grandes. Los estanques utilizados para la producción a gran escala de microalgas deben tener un tamaño de entre una y varias hectáreas.

Problemas de limpieza

La recolección de microalgas es uno de los grandes desafíos tecnológicos. Su Biocombustibles de microalgas: una breve introducción John Benemann señaló que el 20-40 por ciento de la biomasa del estanque debe cosecharse diariamente. Las algas también deben concentrarse 30 veces.

Biofloculación: se ha estudiado la adhesión celular. A menudo se requieren aditivos químicos para aumentar la formación de agregados de células de algas, lo que hace que se caigan de la columna de agua. Para limitar los contaminantes en el combustible producido, esto debe hacerse con o sin químicos mínimos. Se necesita una tecnología de limpieza eficiente y barata.

Sin embargo, la limpieza es solo el comienzo. Para obtener el aceite, las células de las algas deben romperse y se requieren solventes para extraer el aceite. Se requiere la separación mecánica para eliminar los desechos y subproductos celulares no deseados. Luego, el aceite recuperado necesita un procesamiento adicional para obtener combustible utilizable.

Otros problemas técnicos

Muchos problemas técnicos potenciales requieren soluciones adicionales. Los cultivos iniciadores de algas comienzan con una sola célula de algas o con muy pocas células, pero muchas especies de algas son plantas unicelulares. La biomasa final recolectada del estanque representa al menos millones de miles de millones de divisiones celulares de una o solo unas pocas células. Es inevitable que se produzcan mutaciones genéticas que provoquen una «deriva genética».

Esto, y las fluctuaciones en los nutrientes u otras variables, pueden resultar en niveles de aceite más bajos que los necesarios para lograr la rentabilidad. Las especies de algas invasoras y no deseadas pueden contaminar los cultivos al reducir la producción de aceite, especialmente en estanques abiertos. Los pastos que se alimentan de microalgas, como hongos, protozoos y zooplancton, son una amenaza constante que puede reducir significativamente la biomasa de los cultivos.

Los beneficios de las algas

Los fotobiorreactores, como estos dispositivos del tamaño de un laboratorio, son sistemas independientes que bombean continuamente agua que contiene algas a través de varios tipos de recipientes transparentes para exponer las algas a la luz para su crecimiento. (Foto cortesía del Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU.)

Las algas ofrecen algunas ventajas sobre las plantas terrestres para la producción de biocombustibles. Los tiempos de generación de las algas (división celular) y el crecimiento de la población ocurren en horas y días. El crecimiento y reproducción de las plantas terrestres suele tener lugar cada mes o año.

El rápido crecimiento celular y el ciclo de reproducción de muchas especies de algas hacen que el desarrollo o la modificación de una cepa genética sea más fácil y potencialmente mucho más rápido. Además, el uso de algas para producir biocombustibles ahorraría maíz y soja para el consumo humano.

Creciendo con preocupación por la acumulación de dióxido de carbono en nuestra atmósfera y el calentamiento global, algunos ven la producción de biomasa de microalgas como un método potencial para eliminar o reducir el dióxido de carbono atmosférico. La idea es combinar la producción de biocombustible de algas con centrales eléctricas de carbón. El dióxido de carbono de las chimeneas de las centrales eléctricas proporcionaría a las algas los volúmenes necesarios para la producción de biomasa a gran escala.

Investigadores de la Universidad de Kentucky estiman que se necesitarían de 2,000 a 2,400 acres de estanques para manejar la huella de carbono de una planta de energía de 500 megavatios. Por supuesto, la planta de energía debe ubicarse en un lugar con un gran suministro de agua y un suelo / topografía adecuados para la construcción de estanques. Además, es necesario evaluar los insumos utilizados para la captura de carbono y la producción de algas y la cantidad de energía de las algas recolectadas.

Economía de producción

Hoy en día, la economía de la producción de algas es un obstáculo aterrador para el desarrollo comercial del combustible de algas. En 2009, Benemann reportó los costos de producción más bajos Espirulina es de USD 5.000 por tonelada. Extrapoló estos costos a la producción de algas, que representaron el 25 por ciento del aceite cubierto, y pronosticó precios de 20.000 dólares por tonelada, 20-30 veces más altos que los precios máximos recientes del aceite vegetal.

Los recursos y la infraestructura necesarios para la producción a gran escala de biomasa de microalgas son costosos. La fuente de dióxido de carbono libre puede ser crucial. Los costos de manejo intensivo y equipos para los sistemas de fotobiorreactores son excesivos, especialmente para miles de hectáreas de recipientes transparentes y sus bombas y tuberías asociadas. La producción de grandes estanques parece ser más rentable.

Investigadores de la Universidad de Kentucky estiman que el costo de producir biodiesel de algas fue de $ 18-30 / gal ($ 4.76-7.93 / l). Benemann estimó que los costos generales de producción del 25% del estanque de triglicéridos de algas solían ser de al menos $ 40,000 / ac ($ 98,840 / ha) para un rendimiento anual de 1,500 gal (5,680 l) de aceite. Los precios del combustible de $ 4,00 gal ($ 1,06 / l) no cubren los costos de capital y operativos. El etanol y el biodiésel de las plantas terrestres son alternativas más competitivas en precio, con el petróleo crudo a 100 dólares el barril.

Restricciones ambientales

La producción de algas está impulsada por restricciones ambientales. Los lugares con suficiente sol y un rango de temperatura ideal se encuentran generalmente en desiertos donde el agua y los suelos arcillosos suelen ser escasos. Los estanques para la producción de algas eutróficas deben tener suficiente agua, luz y dióxido de carbono.

Las poblaciones de algas son tan densas que la luz no alcanza una profundidad apreciable. La biomasa de algas y la tasa de fotosíntesis son tan altas que el dióxido de carbono se elimina del agua más rápido de lo que puede ser reemplazado por la difusión atmosférica. La alta tasa de crecimiento de las floraciones de algas también puede agotar los nutrientes rápidamente. La respiración y la fotosíntesis asociadas con su alta biomasa y su rápido crecimiento pueden causar grandes fluctuaciones de pH, desestabilizando las condiciones en el ambiente de producción.

Perspectivas

Aunque la producción de biocombustibles a partir de algas es tecnológicamente factible, todavía existen muchos desafíos de I + D. Se debe lograr una mayor biomasa y un crecimiento más rápido. Se necesitan especies de algas con mayor contenido de agua. Es fundamental contar con mejores métodos de concentración y recolección. Los sistemas de producción más rentables son esenciales.

Una solución exitosa puede requerir objetivos comunes. Quizás la producción de combustible de algas se pueda relacionar con el tratamiento de aguas residuales y la venta de subproductos como aditivos y nutrientes para piensos.

(Nota del editor: este artículo apareció originalmente en la edición de julio / agosto de 2010 de ).

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