‘BIOGÁS’

Aprovechamiento integral de microalgas: biorrefinerías

Autores: Juan José Espada, Jovita Moreno, Universidad Rey Juan Carlos

El concepto de biorrefinería

La disminución de reservas de recursos fósiles (petróleo fundamentalmente) unida al deterioro medioambiental que provoca su uso está obligando a explorar diferentes formas de obtener productos,que tradicionalmente se producían a partir de petróleo, usando materias primas sostenibles. En este sentido, la biomasa es una opción muy atractiva, ya que su aprovechamiento integral podría suponer la obtención de una gran variedad de productos de interés así como un gran beneficio ambiental.

En la actualidad, la producción de bioproductos es un mercado en crecimiento continuo con aplicaciones en muy diversos sectores industriales. El concepto de biorrefinería aparece directamente relacionado con este mercadoya que engloba la integración de procesos y tecnologías para un uso eficaz de las materias primas logrando que las instalaciones operen de una manera sostenible con el medio ambiente, teniendo como objetivo el aprovechamiento integral de la biomasa para generar un amplio espectro de productos.

Las biomasa potencialmente utilizable como materia primas en las biorrefinerías puede ser de muy diverso tipo: agrícola (cultivos energéticos y residuos agrícolas), forestal (madera, cultivos energéticos y residuos lignocelulósicos), residuos orgánicos domésticos, microalgas etc. En función del tipo de biomasa empleada se obtendrán productos con diferentes características.

Los principales tipos de productos obtenidos en una refinería pueden ser de dos tipos: energéticos y productos de base biológica. Dentro del primer grupo se encuentran los biocombustibles que pueden ser gaseosos (biogás, gas desíntesis, hidrógeno ybiometano), líquidos (bioetanol, biodiesel, bioaceites, etc.) o sólidos (pellets, lignina,carbón vegetal, etc.). Dentro de los productos de base biológica cabe destacar los productos de laindustria química fina (productosaromáticos, aminoácidos, polialcoholes, ácidos, etc.), polímeros y resinas, productos para alimentación animal yhumanay fertilizantes.

Biorrefinerías de microalgas

Las microalgas son consideradas con una posible y prometedora materia prima para su empleo en biorrefinerías por diversos motivos: fijan CO2 durante su crecimiento, poseen un elevado contenido en lípidos por unidad de biomasa (mayor que el de otros tipos de plantas y que, además, puede ser incrementado bajo ciertas condiciones de estrés), su variedad permite la obtención de multitud de tipos de productos y, algunas de ellas, pueden desarrollarse en medios de cultivo muy baratos, incluso aprovechando aguas residuales. Los estudios existentes en el sector de la biorrefinerías de microalgas muestran queuna adecuada combinación de diferentes procesos de transformación (muchos de los cuales ya se emplean actualmente en la industria),junto con la gran variedad de productos que se pueden generar a partir de las microalgas,darían lugar a sistemas productivos altamente eficaces y sostenibles.

El diseño de estas biorrefinerías sostenibles debe incluir una adecuada integración energética y un correcto aprovechamiento de productos, subproductos y residuos, para lo cual, además, es fundamental que la instalación esté interrelacionada con otros tipos de industrias. Así, los restos de biomasa algal generados después de la extracción del aceite pueden ser empleados como alimentación animal, como materia prima para la fabricación de fertilizanteso como fuente de energía. La energía generada con este residuo puede ser empleada para producir nueva biomasa y el CO2 emitido durante dicha generación de energía serviría como fuente de carbono para más crecimiento celular. O, como alternativa, la biorrefinería puede usar como fuente de carbono el CO2 proveniente de alguna otra actividad industrial. Con respecto a otros productos no energéticos (lo denominados de base biológica), se estima que este tipo de plantas podrían suponer una importante contribución para la fabricación de pigmentos, vitaminas, diversos principios activos y otros productos de interés para la industria cosmética yfarmacéutica. La figura 1 muestra una propuesta de esquema de proceso para una biorrefinería basada en microalgas según J. Trivedi y col., 2015 (Renewable and Sustainable Energy Reviews 47 295–307).

Puesto que existen muchas alternativas técnicas, la secuencia más adecuada de procesos de transformación y aprovechamiento de la biomasa algal dependerá de la especie de microalga a utilizar y del producto/s y/o sub-producto/s cuya generación se desee maximizar. Aunque se han publicado estudios sobre la mejor opción de aprovechamiento para diferentes tipos de microalgas, hay todavía bastante controversia sobre cuáles son las rutas más adecuadas en cada caso. Posiblemente, uno de los puntos más críticos de todo el proceso reside en la adecuada separación de los productos formados en cada etapade tratamiento sin dañar el resto, de forma que todas las fracciones puedan ser aprovechadas, lo que incrementa considerablemente la viabilidad económica y ambiental de la biorrefinería.

Figura 1. Propuesta de esquema de proceso para una biorrefinería basada en microalgas según J. Trivedi y col., 2015 (Renewable and Sustainable Energy Reviews 47 295–307).

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Spirulina y otras cianobacterias como fuente de energía

Lara Mendez,  Cristina Gonzalez-Fernandez (IMDEA Energía):

Las cianobacterias o algas verde-azules son microorganismos procariotas fotosintéticos. Esto quiere decir que, al igual que las plantas, tienen la capacidad de utilizar el oxígeno y luz ambiental para transformarlos en energía que emplearan para su desarrollo. Dentro de las cianobacterias existe gran diversidad  morfológica, pudiendo encontrarse de forma unicelular así como formando colonias o filamentos.

Una especie concreta de cianobacteria a la que se ha prestado especial atención en los últimos años por sus múltiples propiedades, es el género Spirulina (Arthrospira). Esta cianobacteria posee multitud de beneficios como fuente de proteínas, pigmentos y otros productos de valor añadido, así como potenciales aplicaciones en el sector energético.

Además, el cultivo de cianobacterias implica consumo  de CO2 (gas de efecto invernadero) para la realización de la fotosíntesis y su desarrollo metabólico. Este hecho es de particular relevancia puesto que el empleo de este tipo de procesos biotecnológicos supone una disminución en las emisiones de este gas y por tanto una mejora de las condiciones medioambientales.

Actualmente, uno de los focos de investigación en el sector de las energías renovables es el estudio y desarrollo de nuevas materia primas para la producción sostenible de biocombustibles. En este contexto, la producción de biogás a partir de biomasa de algas es  un campo muy prometedor dado que se trata de un proceso en el cual no es necesario un tratamiento exhaustivo de la materia prima. Más concretamente, se evitan las etapas de secado de la biomasa y la extracción de lípidos o carbohidratos como es el caso de la producción de biodiesel y bioetanol, respectivamente.

En el proceso de digestión anaerobia, toda la materia orgánica (carbohidrato, proteína y lípido) es susceptible de ser degradado por los microorganismos anaerobios y convertido en biogás. En el caso de microalgas verdes (eucariotas), uno de los mayores inconvenientes para una producción eficiente de biogás es la pared celular de esta biomasa. La pared celular constituye una barrera natural at ataque de predadores y que por tanto también dificulta su degradación anaerobia.

Para optimizar su degradación anaerobia, las microalgas deben ser pre-tratadas previamente a la digestión para así favorecer la etapa de hidrólisis. De este modo, el uso de la biomasa algal con fines energéticos se ve encarecido pro esta etapa de pretratamiento. Como peculiaridad, las cianobacterias no tienen una pared celular tan robusta como las microalgas, lo cual las convierte en un sustrato más fácilmente biodegradable que las microalgas verdes (Lara Mendez, Ahmed Mahdy, Mercedes Ballesteros, Cristina González-Fernández. Chlorellavulgaris  vs cyanobacterial biomasses: Comparison in terms of biomass productivity and biogas yield. Energy Conversion and Management)

Todos estos factores convierten al cultivo de la cianobacteria Spirulina y su posterior uso en la digestión anaerobia, en una prometedora alternativa a las fuentes energéticas actualmente en uso. De hecho, el cultivo de esta biomasa podría realizarse en agua residual (Giorgos Markou,Iordanis Chatzipavlidis,Dimitris Georgakakis. Cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensisin olive-oil mill waste water treated with sodium hypochlorite. Bioresource Technology 112 (2012) 234–241)  y de este modo acoplar la producción de una forma energética como el biogás a la bioremediación de aguas residuales.  Por todas estas ventajas, el cultivo de cianobacterias para el sector de los energético y medioambiental interesa tanto a centros de investigación como a empresas de nueva creación.

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