Biocombustibles a partir de algas
En mi opinión, la obtención de biocombustibles y productos químicos verdes a partir de las algas es una de las temáticas más fascinantes del mundo de las biorrefinerías y representa uno de los nichos de negocio con mayor potencial en el medio y el largo plazo. Esta entrada pretende ser una aproximación muy básica a las tecnologías de producción de biocombustibles algales (“Algae-to-Biofuels”) a través de una serie de puntos clave muy generales.
Algas
1,2,3,4,5
El
término algas se refiere, de manera general, a una variedad de organismos
fotosintéticos que tienen la capacidad de transformar la luz, el agua y
determinados nutrientes (CO2, nitratos,…) en productos que pueden ser
utilizados con propósitos comerciales e industriales. Podría decirse que son factorías
que, con la luz del sol como fuerza impulsora, poseen el potencial para
convertir el dióxido de carbono en biocombustibles, alimentos y especialidades
químicas de alto valor añadido.
Actualmente,
existen cuatro tecnologías en uso para su producción comercial: estanques
abiertos, estanques cerrados, fotobiorreactores (con muchos tipos diferentes de
configuraciones) y sistemas de fermentación cerrados.
Tecnologías
de producción de biocombustibles algales
Las
algas pueden ser procesadas de diferentes maneras para obtener un amplio
espectro de productos. De un tiempo a esta parte, su uso como una alternativa a
las actuales materias primas biomásicas para la generación de biocombustibles
ha ido ganando cada vez mayor interés entre la comunidad científica, los empresarios
y el público general. De hecho, se reconoce que las algas constituyen una
fuente potencial para la producción de biodiesel debido a su alto contenido en
aceites y su rápido crecimiento. Sin embargo, esta no es la única aplicación. A
continuación, se van a describir muy brevemente algunas de las rutas que se
pueden utilizar para obtener combustibles renovables a partir de algas.
La clasificación se basa en las tres categorías generales expuestas en el “National
Algal Biofuels Technology Roadmap” del DoE.
Figura
1. Instalaciones de Algenol para la producción directa de biocombustibles a
partir de algas (extraída de la página web de Algenol)
1.
Categoría: Producción directa de biocombustibles a partir de algas
Esta
categoría abarca la producción directa de moléculas de combustible a partir de
algas sin la necesidad de extracción.
1.1
Ruta: Fermentación heterotrófica. / Producto: Alcoholes. 1,6
Las
algas son capaces de producir etanol y otros alcoholes a través de la
fermentación heterotrófica de almidón. Esto se puede conseguir mediante la producción
y almacenamiento de almidón (procesos fotosintéticos en el interior de las algas
o por alimentarlas con azúcar de manera directa) y la posterior fermentación de
estas fuentes de carbono para obtener etanol en condiciones oscuras. Además, es
posible mejorar esta habilidad natural de producir etanol que poseen algunas
cianobacterias forzando la fijación del carbono en etanol antes que en las
rutinas de mantenimiento de la célula.
1.2
Ruta: Fermentación heterotrófica. / Producto: Alcanos. 1,7
De
la misma manera que en el caso de los alcoholes, se pueden producir alcanos de
manera directa mediante rutas metabólicas heterotróficas usando algas.
Bacterias fotosintéticas mejoradas genéticamente pueden producir y secretar diferentes
tipos de alcanos en un proceso único y continuo.
1.3
Ruta: Biofotólisis. / Producto: Hidrógeno. 8,9
La
biofotólisis es un proceso desencadenado por la luz en algunos sistemas
biológicos que da como resultado la disociación del agua en oxígeno e hidrógeno
moleculares. La intensidad de la luz y la privación de nutrientes en
condiciones anaerobias son factores ambientales clave para inducir la
producción de hidrógeno en el caso de las microalgas verdes. Éstas pueden
producir biohidrógeno tanto mediante biofotólisis directa (bajo irradiación de
luz) como indirecta (fermentación oscura de carbohidratos endógenos).
2.
Categoría: Procesado completo de las algas
Cubre
aquellas rutas en las que se procesa toda la biomasa algal para obtener
moléculas de combustible.
2.1
Ruta: Pirólisis. / Producto: “Bio-oil” (se pueden obtener combustibles líquidos
a través de procesado posterior). 1,10
La
pirólisis de biomasa es la descomposición térmica de la misma en ausencia de
oxígeno para producir líquido, carbón y gas. La fracción líquida es el aceite
de pirólisis o “bio-oil”. Las condiciones óptimas para producir “bio-oil” algal
a partir de diferentes materias primas todavía deben ser estudiadas en
profundidad. De acuerdo a estudios preliminares, el acei de pirólisis algal exhibe
un contenido en carbono e hidrógeno más alto, un contenido en oxígeno más bajo
y un poder calorífico mayor que el que se obtiene a partir de materias primas
lignocelulósicas.
2.2
Ruta: Gasificación. / Producto: Gas de síntesis (se pueden obtener combustibles
líquidos a través de la síntesis Fischer-Tropsh o de la síntesis de mezcla de
alcoholes). 1
El
gas de síntesis es una mezcla, mayoritariamente, de monóxido de carbono e
hidrógeno. Se produce al someter a la biomasa a degradación térmica en presencia
de un agente oxidante (aire, vapor u oxígeno) en un proceso conocido como
gasificación. Todavía es necesario determinar las condiciones óptimas para la
gasificación de las algas.
2.3
Ruta: Licuefacción. / Producto: “Bio-crude” (se pueden obtener combustibles
líquidos a través de procesado posterior). 1
La
licuefacción hidrotérmica directa con agua en condiciones subcrítica es una
tecnología que puede ser empleada para convertir biomasa algal húmeda en
diferentes combustibles líquidos. El agua en ambientes subcríticos es capaz de
descomponer la biomasa algal en moléculas más pequeñas de mayor densidad
energética o en productos químicos de más valor. El producto principal de la
licuefacción es un bio-petróleo que puede ser procesado posteriormente de
manera similar al petróleo convencional.
2.4
Ruta: Procesado supercrítico. / Producto: Biodiesel. 1,11
El
proceso de extracción supercrítica puede ser acoplado con la reacción de transesterificación
para producir biocombustible en un único paso. Aprovechando el agua de la
biomasa algal mojada como co-disolvente en su procesado con metanol
supercrítico, no sólo se acelera la conversión de los aceites de las algas en
ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) sino que también se incrementa la
solubilidad y la acidez.
2.5
Ruta: Digestión anaerobia. / Producto: Biometano. 1,12,13
La
producción de biogás puede ser interesante desde dos enfoques: el de la célula
completa o el del residuo algal (subproducto tras extracción). Por un lado,
desde la perspectiva de la célula completa, las microalgas cultivadas para
tratamiento de aguas o con propósitos de protección ambiental, tienen
típicamente contenido bajos en lípidos. La digestión anaerobia es un camino
simple para valorizarlas. Por otro lado, los métodos actuales de producción de
biocombustibles a partir de algas producen un 60%-70% de biomasa residual como
subproducto. La digestión anaerobia de dicho subproducto puede producir biogás
y nutrientes esenciales.
3.
Categoria: Conversión de extractos algales
Las
rutas que procesan los extractos algales (por ejemplo, lípidos y carbohidratos)
para generar moléculas de combustible están cubiertas por esta categoría.
3.1
Ruta: Transesterificación de aceite. / Producto: Biodiesel. 1,3,5
Dependiendo
de la especie, las microalgas son capaces de producir diversas clases de
lípidos, hidrocarburos y otros aceites complejos. No todos los aceites algales
son adecuados para fabricar biodiesel pero es común que lo sean. Estos
triglicéridos reaccionan con metanol en presencia de un catalizador para dar
lugar a los FAME (biodiesel) y glicerol como subproducto. El proceso presenta
una variante bioquímica en la que se utiliza lipasas como biocatalizador.
3.2
Ruta: Hidroprocesado de aceite. / Productos: diesel renovable, biocombustible
para aviación, bionaftas y biopropano. 3,5
Se
trata de una alternativa al proceso anterior para obtener combustibles líquidos
a partir de lípidos derivados de biomasa. Se utiliza hidrógeno para eliminar el
oxígeno de los triglicéridos y producir una mezcla de parafinas lineales, CO2
y agua. Luego, el producto de la primera etapa se isomeriza, siempre en
presencia de hidrógeno, para crear cadenas laterales que mejoren las
propiedades de flujo frío de los productos finales. La mezcla de alcanos puede
ser fraccionada para obtener diésel renovable, combustible de aviación
sintético, bionafta y biopropano.
3.3
Ruta: Fermentación. / Producto: Alcoholes. 14,15
Las
algas son capaces de acumular almidón y celulosa que puede servir como una
alternativa a los cultivos comestibles para la producir bioetanol. Las
microalgas ricas en carbohidratos pueden ser usadas como materia prima para la
producción de bioetanol mediante la implementación de estrategias de hidrólisis
y procesos de fermentación.
Ventajas
1,4
Estos
son algunas de las ventajas que implica la utilización de las microalgas en la
producción de biocombustibles en vez de los obtenidos a partir de cultivos para
consumo alimenticio:
- Alta productividad por unidad de área. A diferencia de otros cultivos oleaginosos, las algas crecen rápidamente y, muchas de ellas, son increíblemente ricas en lípidos (niveles de aceite de entre el 20 % y el 50 % son bastante comunes).
- No es un recurso alimentario. Usar algas como materia prima para biocombustibles no compromete la producción de alimento y otros productos derivados de cultivos terrestres.
- Uso de tierras no productivas. A diferencia de los cultivos energéticos, las cosechas de algas no compiten con terrenos para producción alimentaria.
- Empleo de un rango amplio de fuentes de agua. El agua utilizada para el cultivo de algas puede incluir aguas residuales y aguas salobres no potables que no pueden ser utilizadas ni para agricultura convencional ni para uso doméstico.
- Mitigación de la liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Las algas tienen un potencial enorme para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero mediante el uso de corrientes de gases ricas en CO2 procedentes de centrales térmicas y de operaciones de recuperación de gas natural.
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REFERENCIAS
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“National Algal Biofuels Technology Roadmap”. U.S. Department of Energy, Office
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