Marcela – Silvia - Carlos Biotecnología industrial – Medellín 2013

Biofuels

Picking Up Sugar Cane - Miguel Alfaro

La investigación en biocombustibles es un área de gran interés por el incremento en la demanda mundial de energía por las economías

emergentes y el creciente precio del petróleo (Mostafa 2010)..

El uso de microorganismos se viene investigando con múltiples

enfoques para la producción de varios biocombustibles (etanol,

hidrógeno, biodisel, biogás) empleando diversos materiales

de partida (Mostafa 2010).

La producción de etanol de materiales vegetales inicio en Alemania en 1898 y continuó en EE.UU durante la primera guerra mundial

Durante la mitad del siglo XX se demostró la capacidad de aterías para degradar celulosa y otros polímeros de plantas

La investigación era académica debido un abundante, seguro y económico suministro de combustibles fósiles.

En 1973- 1974 se da un dramático incremento de los precios de los hidrocarburos

Economías emergentes como China e India incrementan su demanda

Los biocombustibles se empiezan a ver ambientalmente más amigables al producir unas menores emisiones de CO2 a la atmófera que los combustibles fósiles.

En EE.UU, países desarrollados y economías que dependen de la importación de petróleo se cuenta con suficiente material vegetal perenne por lo que ven la oportunidad de eliminar o reducir la

dependencia de combustibles foráneos (Mostafa 2010).

Bio combustibles

Alcoholes

Fermentación directa

Fermentación indirecta

Bacterias acetogénicas

Material vegetal

Conversión a etanol

Mezcla de gases (CO, H2, CO2)

Pirólisis Degradación a

Azúcares fermentables

Conversión en Alcohol

Material vegetal

Material lignocelulósico

Granos de maíz

Azúcar de caña

Melazas

*Levadura

*OMGs Composición homogénea

Composición heterogénea

Lignina, celulosa,

hemicelulosa

Requiere diferentes

Eficiente despolimerización

Tiempo incubación

Enzimas

Microorganismos

1° generación 2° generación

Hace a todas las plantas

competentes

C3-C5 Propanol

isobutanol

Butanol

Clostridium acetobutylicum

Fase esporulación

Bloquea otras enzimas

necesarias

Quema limpia

Menos soluble en agua

Más energéticos

Ruta Wood–Ljungdahl

Donador de (–e): H2

Aceptor de (–e): CO2

Biodisel

Fijan y reducen el CO2

Esterificación de triglicéridos con metanol

Ésteres de alquilo

Es oxidado a agua

No emisiones de CO2

Sencitividad de hidrogenasas al O2

Es el biocombustible más limpio

H2

Grandes áreas de cultivo

Crece en pequeñas capas

Aceite 80% w/v

Doblan biomasa en 24 h

Micro alga

Producidos de

Deben desacoplarse

Producción de hidrógeno

Fotólisis.

Alternativas

1

Incubación aerobia

Limitación de oxigeno - oscuridad

2

Nitrogenadas en m.o fotoheterotroficos

anoxigenicos (purpuras no del azufre

H2 producto final de fermentación

Bacterias fermentativas

Producción de H2 de electrones y protones en presencia de luz y ausencia de O2

Derivan producción de electrones del metabolismo del carbón a H2 si obtienen electrones vía fotosíntesis

3

Biogas

Mezcla de metano y CO2 de descomposición

metanogénica de desechos orgánicos en condiciones

anaerobias

Limitaciones respecto gas natural

Bajo precio del gas natural

Quema limpia

Altas reservas

3° generación

Cyanobacteria Alagas verdes

Limitaciones

E. coli Enterobacter aerogenes Clostridium botyricum

Rhodopseudomonas palustris

Brasil es el único país que produce biocombustibles a una escala masiva, económica y competitiva. Debido a: 1) Inicio investigaciones en 1970s llevándolo a acumular gran experiencia industrial 2) la caña de azúcar presenta un alto contenido de sacaraosa. No requiere tratamiento enzimático ni microbiológico para extraerla. 3) disponibilidad de vastas y fértiles tierras, y clima lluvioso. 4) mano de obra barata y cercanía entre sitios de producción y procesado.

1° Generación de bioconbustibles

Se incrementan los precios de productos alimenticios. Se incrementaron los cultivos dedicados a energía y no a alimentación

Se incrementó el uso de fertilizantes en estos cultivos y con esto los problemas ambientales.

los científicos se embarcan en la producción celulósica de etanol

productos que no compiten con la grucultura contiene en general (35-50)% de celulosa, 20-35% de hemicelulosa, y 10-25% de lignina

La lignina no se degrada en condiciones aerobias y debe ser removida en el pretratamiento para incrementar la exposición de la celulosa y hemicelulosa a la degradación enzimática y microbiológica

Entre los pretratamientos se incluyen peroxidasas alcalinas, acidos concentrados o diluídos, álcali, peroxidas alcalinas, oxidación humedad, explosión de vapor, explosión de fibra por amoniaco, agua líquida caliente, solventes orgánicos.

2° Generación

La hemicelulosa es un heteropolímero de pentosas, hexosas y azúcares ácidos. Los xilanos son su forma más común, compuesto de un esqueleto que consiste en cadenas de aproximadamente 200 unidades de enlaces 1,4 β – D – xilopiranosa.

• Ataca ataca la cadena principal de los xilanos β 1,4 xilanasa

• Degrada los xilooligosacáridos producidos a xilosa β xilodasa

• Se necesitan para degradar compuestos adicionales y sustituyentes del xilano. Enzimas acesorias

Microorganismo que degradan completamente a

hemicelulosa a xilano

HONGOS

Penicillum capsulatum Talaromyces emersonii

ACTINOMICETES Thermomonospor fusca (Termófilo)

Caldicellulosiruptor saccharolyticus (hiper

termófilo)

La celulosa es un homopolímero linear compuesto de unidades de D-glucosa unidos por puentes 1,4 β glucosídicos con una longitus entre 4000-8000 monómeros.

• Ataca aleatoriamente puentes internos β glucosídicos de la cadena Endo 1,4 β gluconasa

• Remueve unidades de celobiosa de extremos no reductores de la cadena Exo 1,4 β gluconasa

• Convierte la celobiosa en glucosa. β galactosidasa

Trichoderma Aspergillus

Enzimas usadas industrialmente

La continua manipulación genética de microoganismos como Saccharomyces cerevisiae ha permitido generar cepas capaces de tomar varios azúcares (modificación de sus transportadores) dado que las plantas se componen de hemicelulosa precursor de la xilosa y de celulosa precursor de la glucosa.

Se buscan cepas cuyo principal producto de al fermentación sea alcohol a partir de glucosa como la E. coli TC4.

Cepas como una de E. coli para producir alcohol a partir de hexosas, pentosas y materiales lignocelulósicos tratados enzimáticamente A esta se le insertaron genes de Zymomonas que codificaban para enzimas envueltas en la producción de alcohol.

INTRODUCCIÓN

La creciente demanda de energía pone en peligro la disponibilidad de energía sostenible para las generaciones futuras.

Desarrollo de nuevos medios de producción de biocombustibles como una energía renovable. la energía verde es cada vez más importante

No renovable

Renovable Solución

INTRODUCCIÒN

• fueron extraídos principalmente de los alimentos (almidón y maíz)

Primera generación de los biocombustibles

• uso de celulosa, como materia prima para extraer biocombustible, tales como tallos de la cosecha.

Segunda generación de los biocombustibles

• Los biocombustibles a partir de microalgas

Tercera generación de los biocombustibles

INTRODUCCIÓN

los biocombustibles a partir de microalgas se compone principalmente de cuatro zonas, que son:

• aislamiento y la caracterización de las especies de microalgas.

• cultivo masivo de microalgas

• Cosecha

• procesamiento.

INTRODUCCIÓN Por lo tanto, es muy importante estudiar cómo mantener microalgas en un estado de alta tasa de crecimiento y alto contenido de lípidos.

El estudio de factores, tales como: •el aislamiento de especies de microalgas

• el mecanismo metabólico •las condiciones de cultivo

•el fotobiorreactor. puede mejorar el desarrollo de biocombustibles a

partir de microalgas

El diseño de un fotobiorreactor óptimo, el desarrollo de catalizadores para la

conversión de lípidos a biodiesel

MICROALGAS

• Las microalgas son organismos fotosintéticos microscópicos.

• Ellos prosperan en hábitats acuáticos diversos, que incluyen: – agua dulce

– salobre (salada <3,5%)

– marinos (3,5% de sal)

– hipersalinos (Sal> 3,5%)

– amplia gama de temperatura y pH.

MICROALGAS

Chlorophyta, Bacillariophyta, Xanthophyta. Estos se exceda rica en lípidos (20% ,50%). y proteína.

La biomasa de microalgas puede producir biocombustibles, incluyendo:

•diesel verde •Gasolina verde

• combustible para aviación • etanol •metano

AISLAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE ESPECIES DE MICROALGAS

Lo ideal debe cubrir tres áreas principales: La fisiología y el crecimiento , metabolitos, productos y robustez especies.

UTEX (Colección Cultura de Algas en la Universidad de Texas, en Austin, Texas), con cerca de 3000 especies

La fisiología del crecimiento de las microalgas abarca una serie de parámetros tales como: •la tasa máxima de crecimiento específico,

•Máxima densidad celular •la tolerancia a las variables ambientales

(temperatura, pH, los niveles de CO2, etc) •la variabilidad in situ y el rendimiento en el

laboratorio

BIOSÍNTESIS Y REGULACIÓN DE LOS LÍPIDOS

• Triglicéridos (TAGs) son la principal fuente (30% y

60% del peso seco) • Los TAGs es el compuesto almacenado en

muchas microalgas bajo condiciones de estrés, como la luz alta o escases de nutrientes

• Estudio de ac. grasos y síntesis de lípidos con el

fin de identificar los genes clave, enzimas y vías nuevas implicadas en el metabolismo de los lipidos en especies de microalgas.

• La ingeniería genética puede ser utilizada para

regular metabolismo de los lípidos, para aumentar el contenido de microalgas por la mejora de la vía de síntesis de ácidos grasos, la regulación de la Derivación TAGs sintético, la inhibición de la competencia, así como para mejorar la composición de lípidos.

BIOSÍNTESIS Y REGULACIÓN DE LOS LÍPIDOS

factores que influyen en el cultivo de microalgas:

•suministro de luz • nutrientes

• CO2 • pH,

• temperatura • O2

Tasa de crecimiento

Contenido de lípidos

Luz, N, P, y T°C

las condiciones óptimas de cultivo que se debe utilizar para microalgas deben ser aquellos que incremente: tasa de crecimiento y el contenido de lípidos, que son los principales factores que afectan el proceso de biocombustible.

LA LUZ

• La luz natural tiene un espectro de luz completo, lo cual es bueno para el cultivo. Una de las desventajas de los naturales la luz es la dificultad de su control, y es demasiado alta en días soleados sobre todo al mediodía y demasiado bajo en días de lluvia.

la capacidad de absorción de luz orden de Chlorella es la luz roja, seguido por

el amarillo.

Ciclo de luz y oscuridad también influyen fuertemente el crecimiento y la eficiencia fotosintética de las microalgas.

NUTRIENTES

carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H), el nitrógeno (N), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), hierro (Fe), azufre (S), fósforo (P), y elementos traza.

la máxima tasa de crecimiento de Chlorella se encontró con urea y el

contenido máximo de lípidos se encontró que con NaNO3

es mejor elegir NaNO3 como fuente de nitrógeno a partir de una consideración

de la productividad y contenido de lípidos .

Alta N inhibe la tasa de crecimiento. Posiblemente las microalgas crecen tan rápido con N abundante que P se agota, y por tanto la relación de N/P se

ve desequilibrado

respiración de las microalgas se ve afectada negativamente por NH4 +

en muy alta concentración

CO2 y pH Mayoría de

carbono inorgánico

es CO2

pH<5 Igual

cantidad de CO2 y

HCO3-

pH 6,6

Casi todo es HCO3

- pH 8,3

El CO2 es factor limitante en fotosíntesis de microalgas. Requiere concentración de 1-5% V/V. Incremento en niveles de CO2 = incremento eficiencia = Biomasa.

La adición de NaHCO3 suministra CO2 y permite regular el pH.

El consumo de CO2 en la fotosíntesis tiende a subir el pH Se debe agregar ácido clorhídrico y acético. El ácido acético además de controlar el pH funciona como fuente de carbono

OD y temperatura

Ran

go (

5 –

35

) °C

Óp

tim

o (

25

– 3

5)

°C

La temperatura depende de la especie. OD en el medio puede afectar las superviciencia de las microalgas. Se pueden oxidar 1 o más enzimas afectando la cadena de transporte de electrones inhibiendo la fotosíntesis.

Fotobiorreactor

Diseño busca

Óptima transferencia de masa,

de luz y circulación a bajo costo.

Tipos

Maximizar relación área/volumen

y proveer luz suficiente.

Abiertos Cerrados

Columna Tubular

Productividad 30 veces

más alta que en sistemas

abiertos.

Placa plana

Agitación Transporte aéreo

Burbujeante

53W/m2 2400 – 3200 W/m2 40 W/m2

Transferencia de masa

Canales de rodadura de 15- 30 cm de profundidad

Ruedas de paletas conducen el agua por el circuito, evitar la sedimentación de micro algas y aumentar la exposición a la luz y CO2.

De los 60s a 70s se usaron para tratar aguas residuales en Israel USA y otros. De los 80s-90s se uso en China, Japón y USA en cultivo de microalgas con fines medicinales (Sopirulina)

Canales con prufundidad menor a 15 cm es de difícil operación, mayores a 50 cm es costoso

Es dificil controlar CO2, temperatura, luz, y pH.

La velocidad de flujo se selecciona dependiendo del hundimiento de las microalgas en el medio.

Una velocidad efectiva es de 10-30 cm/s

La intensidad de luz para chlorella es de 4-30 klx y al medio día puede incrementarse hasta 80-120klx.

Se puede dar foto ihnibición ante una densidad baja de micro algas.

Foto biorreactor abierto

Foto biorreactor cerrado

Productividad 30 veces más alta que en sistemas abiertos.

La trayectoria de la luz (profundidad del medio) es un importante factor de diseño .

A una menor profundidad se obtiene mayor productividad pero la intensidad de luz afecta el contenido de lípidos

Fotobiorreactor de placa plana Se alinean horizontal o verticalmente. Presentan alta superficie de exposición y se

alcanzan altas densidades. Cuando están horizontalmente reciben mas luz

pero son propensos a la foto inhibición. Cuando se alinean verticalmente mejoran las

eficiencias pero requiere costos materiales rígidos.

Tiene la desventaja de que se tiende a acumular el OD. Además el volumen total de cultivo es bajo.

Fotobiorreactor de columna Hechos de vidrio, plástico o polietileno. Son similar a los tanques de fermentación pero necesitan luz interna y

externa. Altura de 2-2,5 m de alto y 20-50 cm de diámetro. Mezlcado con burbujas de CO2

Difulcultad para obtener altas densidades de biomasa. Cuando la densidad empieza a ser alta la luz limita el crecimiento.

COMBINACIONES DE SISTEMAS ABIERTOS Y CERRADOS

Las combinaciones de sistemas son la configuración más eficaz para el cultivo

Las combinaciones pueden ser entre cultivos autotróficos y heterótrofos

Dos procesos se utilizan para aumentar la productividad y el contenido de lípidos de las microalgas

Una alta densidad celular se obtiene en el primer paso en fotobiorreactores cerrados con un ambiente controlado.

Las microalgas son expuestos a privación de nutrientes por estar transferidos a los sistemas abiertos para incrementar el contenido de lípidos.

CONCLUSIONES

• Los biocombustibles pueden

obtenerse a partir de diferentes fuentes, pero las microalgas son de gran interés como una de las fuentes más prometedoras de biomasa para biocombustibles.

• Las combinaciones de sistemas son la configuración más eficaz para el cultivo

CO2

Producción de biodisel

BIBLIOGRAFÍA

Mostafa S. Elshahed. 2011. Microbiological aspects of biofuel production: Current status and future directions. Journal of Advanced Research (1), 103–111 ZHU Junying, RONG Junfeng, ZONG Baoning. 2013. Chinese Journal of Catalysis (34) 80–100