Modelos de biorrefinería - Biorrefinería algal

Fecha de publicación: 17/10/2016

Última actualización: 17/10/2016

SOBRE LA SERIE DE ENTRADAS “MODELOS DE BIORREFINERÍA”

Esta entrada pertenece a una serie llamada “Modelos de biorrefinería”. Dicha serie está dedicada a describir brevemente los modelos o conceptos de biorrefinerías avanzadas que han surgido en los últimos años o que están apareciendo actualmente. Estos modelos son representaciones simplificadas que permiten comprender de una manera sencilla la estructura y las características de un tipo general de biorrefinería. Algunos de estos modelos se refieren al tipo de materia prima mientras que otros se centran en las tecnologías involucradas. Una biorrefinería puede asimilarse a un modelo o ser el resultado de variaciones y combinaciones de varios de ellos.

Se debe tener en cuenta que, aunque son muy útiles e instructivos, estos paradigmas muestran limitaciones en la descripción y clasificación de sistemas complejos con gran nivel de integración. Para definir y describir un caso complejo, el blog recomienda el uso de la clasificación propuesta por la IEA Bionergy Task 42 (Materias primas / Productos / Plataformas / Tecnologías). Para aprender más sobre la noción general de biorrefinería y las diferentes clasificaciones de las biorrefinerías en esta sección del blog: BIOREFINERY CONCEPT.

MODELO DE BIORREFINERÍA ALGAL ^1,2,3,4,5,6

Biorrefinería algal (o biorrefinería de algas) es la denominación más común para los sistemas de procesado de biomasa basados en algas, pero también se usan los términos biorrefinería acuática y biorrefinería azul. La biomasa acuática (microalgas y macroalgas) es una materia prima de gran interés para una biorrefinería, que se caracteriza por una alta productividad y un alto contenido en componentes valiosos (lípidos, proteínas, polisacáridos y otras biomoléculas específicas). Los sistemas de cultivo de algas también pueden ser acoplados a sistemas de tratamiento de aguas residuales y de fijación de dióxido de carbono.

La variada composición de la biomasa acuática permite producir desde combustibles y productos químicos a granel hasta especialidades químicas e ingredientes para alimentos y piensos. Las algas pueden ser procesadas de muchas maneras diferentes para obtener ese amplio espectro de productos y esa es la principal razón para explicar la dificultad de definir un único modelo que agrupe todos los sistemas disponibles dentro del mismo paraguas. La elección de una ruta de procesado dependerá del tipo específico de materia prima y las posibilidades para la integración de procesos en cascada. La siguiente ficha pretende presentar una descripción para el modelo de biorrefinería algal de una manera muy simple y resumida.

Algal biorefinery factsheet
Materias primas	- Microalgas, macroalgas, cianobacterias. - Luz solar, dióxido de carbono, nutrientes. Las algas pueden ser fermentadas en estanques, fotobiorreactores (PBRs) y fermentadores.
Refino primario	El fraccionamiento primario en una biorrefinería algal es la extracción de los bioproductos sintetizados por el alga durante la etapa previa de cultivo. Antes, es necesario llevar a cabo procesos de preparación como la recogida (sedimentación, filtración, centrifugación…) y el secado. La operación de extracción depende: del componente biológico específico que se desea extraer, de las operaciones de recogida y del proceso de conversión posterior. Estas son algunas de las opciones disponibles: - Disrupción mecánica. Molinos de bolas, ultrasonidos… - Métodos no mecánicos. Extracción mediante fluidos supercríticos, aplicación de disolventes orgánicos, choque osmótico… - Excreción directa. Cianobacterias modificadas sintéticamente son capaces de excretar directamente moléculas seleccionadas.
Corrientes principales	(1) Bioproductos algales - Extracto lipídico o de aceites. Las microalgas puede producir lípidos de almacenamiento en la forma de triglicéridos. Junto con ellos, el aceite de algas crudo contiene otros ingredientes algales lipofílicos. - Alcoholes. Las cianobacterias son capaces de producer etanol y otros alcoholes mediante fermentación heterotrófica y es posible mejorar su habilidad natural mediante ingeniería genética. - Alkanos. Igual que los alcoholes. (2) Biomasa gastada Los métodos actuales de producción de biocombustibles y productos químicos y tratamientos de aguas residuales pueden producir enormes cantidades de biomasa residual que es un coproducto importante.
Rutas de valorización y productos de los bioproductos algales	(1) Extracto de aceites El extracto de aceite puede ser sometido a un proceso de refino secundario para separar de manera selectiva productos de alto valor añadido de los triglicéridos. Triglicéridos - Transesterificación → Producto: Biodiésel. - Hidroprocesado → Productos: diesel renovable, bioqueroseno, bionafta y biopropano. - Ruptura → Productos: Ácidos grasos. Ambos son precursores de un amplio abanico de productos. Componentes de alto valor añadido Ácidos grasos poliinsaturados (ácido araquidónico, ácido docosahexanoico, ácido linoleico), antioxidantes (β–carotenos, tocoferol), agentes colorantes (astaxantina, ficocianina, ficoeritrina). (2) Alcoholes La mezcla etanol-agua puede ser purificada usando destilación y otras tecnologías convencionales para producir etanol para combustibles y productos químicos. (3) Alcanos La mezcla de hidrocarburos producidos es similar al crudo ligero y se pueden obtener combustibles líquidos mediante procesado posterior.
Rutas de valorización y productos de la biomasa gastada	La biomasa gastada contiene tres fracciones principales: fracción proteica, carbohidratos y minerales. Dichas fracciones pueden ser separadas o procesadas de manera conjunta. - Separación y secado → Piensos con alto contenido en proteínas, fertilizantes, otros productos de alto valor añadido. - Digestión anaerobia → Biometano y nutrientes esenciales. - Licuefacción hidrotérmica → Biocrudo que puede ser procesado para obtener combustibles y productos químicos renovables. Los coproductos inorgánicos sólidos que se obtienen tras la licuefacción pueden tener aplicación potencial en el sector de la construcción. - Separación y fermentación → Después de ser separados, los carbohidratos pueden ser fermentados para producir combustibles productos químicos (etanol, butanol, ácido láctico…). Otros procesos en estudio: pirólisis, gasificación, procesos supercríticos…

La Figura 1 ilustra un modelo específico de biorrefinería de lípidos algales. En este caso, el bioproducto algal es aceite crudo de algas que se hidroliza para obtener ácidos grasos, glicerina y sustancias lipofílicas. La biomasa residual se somete a fermentación anaerobia para producir fertilizantes y biogás.

Figura 1. Ejemplo esquemático de un modelo de biorrefinería de aceite algal (extraída de la Referencia 3)

EJEMPLOS DE INSTALACIONES DE DEMOSTRACIÓN ^{7,8,9,10,11,12}

Finalmente, una tabla en la que se muestran para algunas plantas de demostración reales: los bioproductos algales, las rutas de valorización y los productos finales. Pulsando en el nombre de la instalación, se puede acceder a una entrada con toda la información sobre ella.

Nombre / Empresa	Emplazamiento	Tecnología de cultivo	Bioproductos algales	Rutas de valorización	Productos finales
ecoduna algal biorefinery / ecoduna	Bruck an der Leitha (Austria)	PBRs	Extracto de aceite	Separación de aceites / Refino	Biocombustible
				Separación de aceites	Ácidos grasos omega-3,6
			Biomasa gastada	Digestión anaerobia	Biogás
					Fertilizantes
Biorrefinería Integrada a escala piloto de Algenol / Algenol	Fort Myers (Florida, USA)	PBRs	Etanol	Vapor Compression Steam Stripping / Destilación convencional	Etanol para combustible
			Biomasa gastada	Licuefacción hidrotérimca	Diesel, gasoline and jet fuel
Kona Demonstration Facility (KDF) / Cellana	Kona (Hawaii’s Big Island, USA)	PBRs y estanques abiertos de agua marina	Extracto de aceite	Separación de aceites / Refino	Biocombustible
				Separación de aceites	Omega-3 fatty acids
			Biomasa gastada	Secado	Feed
Planta de Demostración de Muradel / Muradel	Whyalla (Australia)	Estanques agitados mediante ruedas de paletas	Extracto de aceite	Separación de aceites	Oleochemicals
			Biomasa gastada	Licuefacción hidrotérimca	Biocrudo / Coproductos sólidos inorgánicos
				Separación / Secado	Fertilizantes Piensos

Figura 2. Reactor de flujo continuo de agua subcrítica de Muradel (extraída de la página web de Muradel). Conversión de algas gastadas en biocrudo mediante licuefacción hidrotérmica.

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REFERENCIAS

1 U.S. DOE 2010: “National Algal Biofuels Technology Roadmap”. U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Biomass Program.

2 “The European Biorefinery 2030 Vision”. Star-COLI BRI -Strategic Targets for 2020 – Collaboration Initiative on Biorefineries.

3 “Biorefineries Roadmap as part of the German Federal Government action plans for the material and energetic utilisation of renewable raw materials”. May 2012.

4 Y. Chisti: “Biodiesel from microalgae”. Biotechnology Advances 25 (2007) 294–306.

5 I. Priyadarshani , B. Rath: “Commercial and industrial applications of micro algae – A  review”. J. Algal Biomass Utln. 2012, 3 (4): 89–100.

6 A. Darzins, P. Pienkos, L. Edye: “Current Status and Potential for Algal Biofuels Production”. A Report to IEA Bioenergy Task 39, Report T39-T2, 6 August 2010.

7 www.ecoduna.com (consultado el 15 de octubre de 2016).

8 IEA Bioenergy Task 42 Biorefining. “Sustainable and synergetic processing of biomass into marketable food & feed ingredients, products (chemicals, materials) and energy (fuels, power, heat)”.  Wageningen, the Netherlands, August 2014.

9 www.algenol.com (consultado el 15 de octubre de 2016).

10 www.cellana.com (consultado el 15 de octubre de 2016).

11 www.muradel.com (consultado el 15 de octubre de 2016).