El combustible de algas, el biocombustible de algas o el aceite de algas es una alternativa a los combustibles fósiles líquidos que utilizan las algas como fuente de aceites ricos en energía. Además, los combustibles de algas son una alternativa a las fuentes de biocombustibles comúnmente conocidas, como el maíz y la caña de azúcar. Varias compañías y agencias gubernamentales están financiando esfuerzos para reducir los costos operativos y de capital y hacer que la producción de combustible de algas sea comercialmente viable. Al igual que el combustible fósil, el combustible de algas libera CO2 cuando se quema, pero a diferencia del combustible fósil, el combustible de algas y otros biocombustibles solo liberan CO2 recientemente extraído de la atmósfera a través de la fotosíntesis a medida que las algas o plantas crecían. La crisis energética y la crisis alimentaria mundial han despertado el interés en la algacultura (cultivo de algas) para producir biodiesel y otros biocombustibles que utilizan tierra inadecuada para la agricultura. Una de las características atractivas de los combustibles algales es que se pueden cultivar con un impacto mínimo en los recursos de agua dulce, se pueden producir con solución salina y aguas residuales, tienen un alto punto de inflamación y son biodegradables y relativamente inocuos para el medio ambiente si se derraman. Las algas cuestan más por unidad de masa que otros cultivos de biocombustibles de segunda generación debido a los altos costos operativos y de capital, pero se afirma que producen entre 10 y 100 veces más combustible por unidad de área. El Departamento de Energía de los Estados Unidos estima que si el combustible de algas reemplazara todo el combustible de petróleo en los Estados Unidos, requeriría 15,000 millas cuadradas (39,000 km2), que es solo el 0.42% del mapa de los Estados Unidos, o aproximadamente la mitad del área terrestre de Maine. Esto es menos de 1/7 del área de maíz cosechado en los Estados Unidos en 2000.
El jefe de la Organización de biomasa algal declaró en 2010 que el combustible de algas podría alcanzar la paridad de precios con el petróleo en 2018 si se le concedieran créditos fiscales a la producción. Sin embargo, en 2013, el Presidente y CEO de Exxon Mobil, Rex Tillerson, dijo que después de comprometerse a gastar hasta $ 600 millones en 10 años en el desarrollo en una empresa conjunta con J. Craig Venter Synthetic Genomics en 2009, Exxon se retiró después de cuatro años (y $ 100 millones) cuando se dio cuenta de que el combustible de algas está «probablemente más» que a 25 años de la viabilidad comercial. Por otro lado, Solazyme, Sapphire Energy y Algenol, entre otros, han iniciado la venta comercial de biocombustible de algas en 2012 y 2013 y 2015, respectivamente. Para 2017, la mayoría de los esfuerzos se habían abandonado o cambiado a otras aplicaciones, y solo quedaban algunas.
Historia
En 1942, Harder y Von Witsch fueron los primeros en proponer que las microalgas se cultivaran como fuente de lípidos para alimentos o combustibles. Después de la Segunda Guerra Mundial, se iniciaron investigaciones en los EE. UU., Alemania, Japón, Inglaterra e Israel sobre técnicas de cultivo y sistemas de ingeniería para el cultivo de microalgas en escalas más grandes, particularmente en especies del género Chlorella. Mientras tanto, HG Aach demostró que Chlorella pyrenoidosa podía inducirse a través de la falta de nitrógeno para acumular hasta un 70% de su peso seco como lípidos. Dado que la necesidad de combustible de transporte alternativo había disminuido después de la Segunda Guerra Mundial, la investigación en este momento se centró en el cultivo de algas como fuente de alimento o, en algunos casos, para el tratamiento de aguas residuales.
El interés en la aplicación de algas para los biocombustibles se reavivó durante el embargo de petróleo y el aumento de los precios del petróleo en la década de 1970, lo que llevó al Departamento de Energía de los EE. UU. de desarrollar combustible líquido para el transporte a partir de algas que serían competitivos en precio con los combustibles derivados del petróleo. El programa de investigación se centró en el cultivo de microalgas en estanques abiertos al aire libre, sistemas que tienen un bajo costo pero son vulnerables a perturbaciones ambientales como cambios de temperatura e invasiones biológicas. Se recolectaron 3,000 cepas de algas de todo el país y se analizaron para detectar propiedades deseables como alta productividad, contenido de lípidos y tolerancia térmica, y las cepas más prometedoras se incluyeron en la colección de microalgas SERI en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) en Golden, Colorado y se utiliza para futuras investigaciones. Entre los hallazgos más importantes del programa se encuentran que el rápido crecimiento y la alta producción de lípidos fueron «mutuamente excluyentes», ya que los primeros requerían altos nutrientes y los últimos requerían bajos nutrientes. El informe final sugirió que la ingeniería genética puede ser necesaria para poder superar esta y otras limitaciones naturales de las cepas de algas, y que la especie ideal puede variar según el lugar y la estación. Aunque se demostró con éxito que la producción a gran escala de algas para combustible en estanques al aire libre era factible, el programa no lo hizo a un costo que sería competitivo con el petróleo, especialmente cuando los precios del petróleo se hundieron en la década de 1990. Incluso en el mejor de los casos, se estimó que el aceite de algas extraído costaría de 59 a 186 dólares por barril, mientras que el petróleo costó menos de 20 dólares por barril en 1995. Por lo tanto, bajo la presión del presupuesto en 1996, se abandonó el Programa de especies acuáticas.
Otras contribuciones a la investigación de biocombustibles de algas provienen indirectamente de proyectos que se centran en diferentes aplicaciones de cultivos de algas. Por ejemplo, en la década de 1990, el Instituto de Investigación de Tecnología Innovadora para la Tierra de Japón (RITE) implementó un programa de investigación con el objetivo de desarrollar sistemas para reparar el CO2 utilizando microalgas. Aunque el objetivo no era la producción de energía, varios estudios producidos por RITE demostraron que las algas podrían cultivarse utilizando el gas de combustión de las centrales eléctricas como una fuente de CO2, un desarrollo importante para la investigación de biocombustibles de algas. Otro trabajo que se centra en la recolección de gas hidrógeno, metano o etanol a partir de algas, así como suplementos nutricionales y compuestos farmacéuticos, también ha ayudado a informar sobre la investigación sobre la producción de biocombustibles a partir de algas.
Tras la disolución del Programa de especies acuáticas en 1996, hubo una relativa pausa en la investigación de biocombustibles de algas. Aún así, varios proyectos fueron financiados en los EE. UU. Por el Departamento de Energía, el Departamento de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Agricultura, los Laboratorios Nacionales, la financiación estatal y la financiación privada, así como en otros países. Más recientemente, el aumento de los precios del petróleo en la década de 2000 provocó un resurgimiento del interés en los biocombustibles de algas y el financiamiento federal de los EE. UU., Numerosos proyectos de investigación se están financiando en Australia, Nueva Zelanda, Europa, Medio Oriente y otras partes del mundo. una ola de empresas privadas ha entrado en el campo (ver Empresas). En noviembre de 2012, Solazyme y Propel Fuels realizaron las primeras ventas minoristas de combustible derivado de algas, y en marzo de 2013, Sapphire Energy comenzó las ventas comerciales de biocombustible de algas a Tesoro.
Suplementacion alimenticia
El aceite de algas se utiliza como fuente de suplementos de ácidos grasos en productos alimenticios, ya que contiene grasas monoinsaturadas y poliinsaturadas, en particular EPA y DHA. Su contenido de DHA es aproximadamente equivalente al del aceite de pescado a base de salmón.
Combustibles
Las algas se pueden convertir en varios tipos de combustibles, dependiendo de la técnica y la parte de las células utilizadas. La parte lipídica o oleosa de la biomasa de las algas se puede extraer y convertir en biodiesel a través de un proceso similar al utilizado para cualquier otro aceite vegetal, o se puede convertir en una refinería en reemplazos de «petróleo» para combustibles derivados del petróleo. Alternativamente o después de la extracción de lípidos, el contenido de carbohidratos de las algas puede fermentarse en bioetanol o combustible de butanol.
Biodiesel
El biodiesel es un combustible diesel derivado de lípidos animales o vegetales (aceites y grasas). Los estudios han demostrado que algunas especies de algas pueden producir 60% o más de su peso seco en forma de aceite. Debido a que las células crecen en suspensión acuosa, donde tienen un acceso más eficiente al agua, CO2 y nutrientes disueltos, las microalgas son capaces de producir grandes cantidades de biomasa y aceite utilizable en estanques de algas de alta velocidad o fotobiorreactores. Este aceite se puede convertir en biodiesel que podría venderse para su uso en automóviles. La producción regional de microalgas y el procesamiento en biocombustibles proporcionará beneficios económicos a las comunidades rurales.
Como no tienen que producir compuestos estructurales como la celulosa para hojas, tallos o raíces, y debido a que se pueden cultivar flotando en un medio nutritivo rico, las microalgas pueden tener tasas de crecimiento más rápidas que los cultivos terrestres. Además, pueden convertir una fracción mucho mayor de su biomasa en petróleo que los cultivos convencionales, por ejemplo, 60% versus 2-3% para la soja. El rendimiento por unidad de área de aceite de algas se estima entre 58,700 y 136,900 L / ha / año, dependiendo del contenido de lípidos, que es 10 a 23 veces más alto que el siguiente cultivo de mayor rendimiento, la palma aceitera, a 5 950 L / ha / año.
El Programa de Especies Acuáticas del Departamento de Energía de los Estados Unidos, 1978–1996, se centró en el biodiesel de las microalgas. El informe final sugirió que el biodiesel podría ser el único método viable para producir suficiente combustible para reemplazar el uso mundial actual de diesel. Si el biodiesel derivado de algas reemplazara la producción mundial anual de 1.100 millones de toneladas de diesel convencional, se requeriría una masa de tierra de 57.3 millones de hectáreas, lo que sería altamente favorable en comparación con otros biocombustibles.
Biobutanol
El butanol se puede hacer a partir de algas o diatomeas utilizando solo una biorrefinería con energía solar. Este combustible tiene una densidad de energía un 10% menos que la gasolina y mayor que la del etanol o el metanol. En la mayoría de los motores de gasolina, se puede usar butanol en lugar de gasolina sin modificaciones. En varias pruebas, el consumo de butanol es similar al de la gasolina, y cuando se mezcla con la gasolina, proporciona un mejor rendimiento y resistencia a la corrosión que el del etanol o E85.
Los desechos verdes que quedan de la extracción de aceite de algas se pueden usar para producir butanol. Además, se ha demostrado que las macroalgas (algas marinas) pueden ser fermentadas por bacterias del género Clostridia a butanol y otros solventes.
Biogasolina
La biogasolina es una gasolina producida a partir de biomasa. Al igual que la gasolina producida tradicionalmente, contiene entre 6 (hexano) y 12 (dodecano) átomos de carbono por molécula y puede usarse en motores de combustión interna.
Metano
El metano, el principal constituyente del gas natural, se puede producir a partir de algas en diversos métodos, a saber, gasificación, pirólisis y digestión anaeróbica. En los métodos de gasificación y pirólisis, el metano se extrae a alta temperatura y presión. La digestión anaeróbica es un método sencillo que involucra la descomposición de algas en componentes simples y luego los transforma en ácidos grasos utilizando microbios como las bacterias acidogénicas, y luego elimina cualquier partícula sólida y finalmente agrega bacterias metanogénicas para liberar una mezcla de gases que contiene metano. Varios estudios han demostrado con éxito que la biomasa de las microalgas se puede convertir en biogás a través de la digestión anaeróbica. Por lo tanto, con el fin de mejorar el balance energético global de las operaciones de cultivo de microalgas, se ha propuesto recuperar la energía contenida en la biomasa residual mediante la digestión anaeróbica a metano para generar electricidad.
Etanol
El sistema de Algenol que está siendo comercializado por BioFields en Puerto Libertad, Sonora, México, utiliza agua de mar y gases de escape industrial para producir etanol. Porfiridium cruentum también ha demostrado ser potencialmente adecuado para la producción de etanol debido a su capacidad para acumular grandes cantidades de carbohidratos.
Diesel verde
Las algas se pueden usar para producir ‘diesel verde’ (también conocido como diesel renovable, hidrotratamiento de aceite vegetal o diesel renovable derivado de hidrógeno) a través de un proceso de refinería de hidrotratamiento que descompone las moléculas en cadenas de hidrocarburos más cortas utilizadas en motores diesel. Tiene las mismas propiedades químicas que el diesel a base de petróleo, lo que significa que no requiere nuevos motores, tuberías o infraestructura para su distribución y uso. Aún no se ha producido a un costo que sea competitivo con el petróleo. Si bien el hidrotratamiento es actualmente la vía más común para producir hidrocarburos similares a los combustibles mediante la descarboxilación / descarbonilación, existe un proceso alternativo que ofrece una serie de ventajas importantes sobre el hidrotratamiento. En este sentido, el trabajo de Crocker et al. y Lercher et al. Es particularmente notable. Para la refinación de petróleo, se están realizando investigaciones para la conversión catalítica de combustibles renovables por descarboxilación. Como el oxígeno está presente en el petróleo crudo a niveles bastante bajos, del orden del 0,5%, la desoxigenación en el refino de petróleo no es una gran preocupación, y no se formulan catalizadores específicamente para el tratamiento con hidrógeno de los oxigenados. Por lo tanto, uno de los desafíos técnicos críticos para hacer que la hidrodeoxigenación del proceso de aceite de algas sea económicamente viable está relacionado con la investigación y el desarrollo de catalizadores efectivos.
Combustible para aviones
Lufthansa y Virgin Airlines llevaron a cabo ensayos sobre el uso de algas como biocombustibles, y Virgin Airlines desde 2008, aunque existe poca evidencia de que el uso de algas sea una fuente razonable de biocombustibles para reactores. Para 2015, el cultivo de ésteres metílicos de ácidos grasos y alquenonas de las algas, Isochrysis, estaba bajo investigación como una posible materia prima de biocombustible para reactores.
A partir de 2017, hubo poco progreso en la producción de combustible de aviación a partir de algas, con un pronóstico de que solo el 3 a 5% de las necesidades de combustible podrían proporcionarse a partir de algas para 2050. Además, las compañías de algas que se formaron a principios del siglo XXI como base para una industria de biocombustibles de algas ha cerrado o cambiado su desarrollo comercial hacia otros productos básicos, como cosméticos, alimentos para animales o productos de aceites especiales.
Especies
La investigación en algas para la producción masiva de aceite se centra principalmente en las microalgas (organismos capaces de la fotosíntesis que tienen menos de 0,4 mm de diámetro, incluidas las diatomeas y cianobacterias) en oposición a las macroalgas, como las algas marinas. La preferencia por las microalgas se debe en gran parte a su estructura menos compleja, a sus altas tasas de crecimiento ya su alto contenido de petróleo (para algunas especies). Sin embargo, se está investigando el uso de algas marinas para los biocombustibles, probablemente debido a la alta disponibilidad de este recurso.
A partir de 2012, investigadores de varias ubicaciones en todo el mundo han comenzado a investigar las siguientes especies para determinar su idoneidad como productores masivos de petróleo:
Botryococcus braunii
Chlorella
Dunaliella tertiolecta
Gracilaria
Pleurochrysis carterae (también llamada CCMP647).
Sargassum, con 10 veces el volumen de salida de Gracilaria.
La cantidad de aceite que produce cada cepa de algas varía ampliamente. Tenga en cuenta las siguientes microalgas y sus diversos rendimientos de aceite:
Ankistrodesmus TR-87: 28–40% de peso seco
Botryococcus braunii: 29–75% dw
Chlorella sp .: 29% dw
Chlorella protothecoides (autótrofos / heterótrofos): 15–55% dw
Crypthecodinium cohnii: 20% dw
Cyclotella DI 35: 42% dw
Dunaliella tertiolecta: 36–42% dw
Hantzschia DI-160: 66% dw
Nannochloris: 31 (6–63)% dw
Nannochloropsis: 46 (31–68)% dw
Nannochloropsis y biocombustibles
Neochloris oleoabundans: 35–54% dw
Nitzschia TR-114: 28–50% dw
Phaeodactylum tricornutum: 31% dw
Scenedesmus TR-84: 45% dw
Esquizocitrio 50–77% dw
Stichococcus: 33 (9–59)% dw
Tetraselmis suecica: 15–32% dw
Thalassiosira pseudonana: (21–31)% dw
Además, debido a su alta tasa de crecimiento, Ulva ha sido investigado como combustible para su uso en el ciclo SOFT, (SOFT significa Solar Oxygen Fuel Turbine), un sistema de generación de energía de ciclo cerrado adecuado para su uso en zonas áridas y subtropicales. regiones.
Otras especies utilizadas incluyen Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum y Euglena gracilis
Nutrientes e insumos de crecimiento.
La luz es lo que las algas necesitan principalmente para crecer, ya que es el factor más limitante. Muchas empresas están invirtiendo para desarrollar sistemas y tecnologías para proporcionar luz artificial. Uno de ellos es OriginOil, que ha desarrollado un Helix BioReactorTM que cuenta con un eje vertical giratorio con luces de baja energía dispuestas en un patrón de hélice. La temperatura del agua también influye en las tasas metabólicas y reproductivas de las algas. Aunque la mayoría de las algas crecen a un ritmo bajo cuando la temperatura del agua desciende, la biomasa de las comunidades de algas puede aumentar debido a la ausencia de organismos de pastoreo. Los aumentos modestos en la velocidad de la corriente del agua también pueden afectar las tasas de crecimiento de algas, ya que la tasa de absorción de nutrientes y la difusión de la capa límite aumenta con la velocidad de la corriente.
Además de la luz y el agua, el fósforo, el nitrógeno y ciertos micronutrientes también son útiles y esenciales para el crecimiento de algas. El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes más importantes requeridos para la productividad de las algas, pero también se requieren otros nutrientes como el carbono y la sílice. De los nutrientes requeridos, el fósforo es uno de los más esenciales ya que se utiliza en numerosos procesos metabólicos. La microalga D. tertiolecta se analizó para ver qué nutriente afecta más su crecimiento. Las concentraciones de fósforo (P), hierro (Fe), cobalto (Co), zinc (Zn), manganeso (Mn) y molibdeno (Mo), magnesio (Mg), calcio (Ca), silicio (Si) y azufre ( Las concentraciones de S) se midieron diariamente utilizando análisis de plasma acoplado inductivamente (PIC). Entre todos estos elementos que se midieron, el fósforo resultó en la disminución más dramática, con una reducción del 84% en el transcurso del cultivo. Este resultado indica que el fósforo, en forma de fosfato, es requerido en altas cantidades por todos los organismos para el metabolismo.
Hay dos medios de enriquecimiento que se han utilizado ampliamente para cultivar la mayoría de las especies de algas: el medio Walne y el medio F / 2 de Guillard. Estas soluciones de nutrientes disponibles en el mercado pueden reducir el tiempo para preparar todos los nutrientes necesarios para cultivar algas. Sin embargo, debido a su complejidad en el proceso de generación y alto costo, no se utilizan para operaciones de cultivo a gran escala. Por lo tanto, los medios de enriquecimiento utilizados para la producción masiva de algas contienen solo los nutrientes más importantes con fertilizantes de grado agrícola en lugar de fertilizantes de grado de laboratorio.
Cultivo
Las algas crecen mucho más rápido que los cultivos alimentarios y pueden producir cientos de veces más petróleo por unidad de área que los cultivos convencionales como la colza, las palmas, la soja o la jatropha. Como las algas tienen un ciclo de cosecha de 1 a 10 días, su cultivo permite varias cosechas en un plazo muy corto, una estrategia que difiere de la asociada con los cultivos anuales. Además, las algas se pueden cultivar en tierras no aptas para cultivos terrestres, incluidas tierras áridas y tierras con un suelo excesivamente salino, lo que minimiza la competencia con la agricultura. La mayoría de las investigaciones sobre el cultivo de algas se han centrado en cultivar algas en fotobiorreactores limpios pero caros, o en estanques abiertos, que son baratos de mantener pero propensos a la contaminación.
Sistema de circuito cerrado
La falta de equipos y estructuras necesarias para comenzar a cultivar algas en grandes cantidades ha inhibido la producción masiva de algas para la producción de biocombustibles. El uso máximo de los procesos y hardware agrícolas existentes es el objetivo.
Los sistemas cerrados (no expuestos al aire libre) evitan el problema de la contaminación por otros organismos que entran por el aire. El problema para un sistema cerrado es encontrar una fuente barata de CO2 estéril. Varios experimentadores han encontrado que el CO2 de una chimenea funciona bien para el crecimiento de algas. Por razones de economía, algunos expertos piensan que el cultivo de algas para biocombustibles deberá realizarse como parte de la cogeneración, donde se puede aprovechar el calor residual y ayudar a absorber la contaminación.
Fotobiorreactores
La mayoría de las compañías que buscan algas como fuente de biocombustibles bombean agua rica en nutrientes a través de tubos de plástico o de vidrio de borosilicato (llamados «biorreactores») que están expuestos a la luz solar (y los llamados fotobiorreactores o PBR).
La ejecución de una PBR es más difícil que usar un estanque abierto y más costosa, pero puede proporcionar un mayor nivel de control y productividad. Además, un fotobiorreactor puede integrarse en un sistema de cogeneración de circuito cerrado mucho más fácilmente que los estanques u otros métodos.
Estanque abierto
Los sistemas de estanques abiertos consisten en estanques de tierra simples, que a menudo se mezclan con una rueda de paletas. Estos sistemas tienen bajos requerimientos de energía, costos operativos y costos de capital en comparación con los sistemas de fotobiorreactor de circuito cerrado. Casi todos los productores de algas comerciales para productos de algas de alto valor utilizan sistemas de estanques abiertos.
Depurador de césped
El lavador de algas es un sistema diseñado principalmente para limpiar nutrientes y contaminantes del agua utilizando césped de algas. ATS imita los céspedes de algas de un arrecife de coral natural al absorber agua rica en nutrientes de las corrientes de desechos o fuentes naturales de agua, y pulsando sobre una superficie inclinada. Esta superficie está cubierta con una membrana de plástico rugoso o una pantalla, que permite que las esporas de algas naturales se asienten y colonicen la superficie. Una vez que se ha establecido el alga, se puede recolectar cada 5 a 15 días y puede producir 18 toneladas métricas de biomasa de algas por hectárea por año. En contraste con otros métodos, que se centran principalmente en una sola especie de algas de alto rendimiento, este método se centra en policultivos naturales de algas. Como tal, el contenido de lípidos de las algas en un sistema ATS suele ser más bajo, lo que lo hace más adecuado para un producto combustible fermentado, como etanol, metano o butanol. A la inversa, las algas recolectadas podrían tratarse con un proceso de licuefacción hidrotermal, que haría posible la producción de biodiesel, gasolina y combustible para aviones.
Hay tres ventajas principales de ATS sobre otros sistemas. La primera ventaja es la mayor productividad documentada en sistemas de estanques abiertos. El segundo es menores costos operativos y de producción de combustible. El tercero es la eliminación de los problemas de contaminación debido a la dependencia de las especies de algas naturales. Los costos proyectados para la producción de energía en un sistema ATS son $ 0.75 / kg, en comparación con un fotobiorreactor que costaría $ 3.50 / kg. Además, debido al hecho de que el propósito principal de ATS es eliminar los nutrientes y contaminantes del agua, y estos costos han demostrado ser más bajos que otros métodos de eliminación de nutrientes, esto puede incentivar el uso de esta tecnología para la eliminación de nutrientes como la Función primaria, con la producción de biocombustibles como beneficio adicional.
Produccion de combustible
Después de cosechar las algas, la biomasa se procesa típicamente en una serie de pasos, que pueden diferir según la especie y el producto deseado; Esta es un área activa de investigación y también es el cuello de botella de esta tecnología: el costo de extracción es mayor que el obtenido. Una de las soluciones es usar alimentadores de filtro para «comerlos». Los animales mejorados pueden proporcionar tanto alimentos como combustibles. Un método alternativo para extraer las algas es cultivar las algas con tipos específicos de hongos. Esto provoca la bio-floculación de las algas que permite una extracción más fácil.
Deshidración
A menudo, las algas se deshidratan, y luego se usa un solvente como el hexano para extraer compuestos ricos en energía como triglicéridos del material seco. Luego, los compuestos extraídos se pueden procesar en combustible utilizando procedimientos industriales estándar. Por ejemplo, los triglicéridos extraídos se hacen reaccionar con metanol para crear biodiesel a través de la transesterificación. La composición única de los ácidos grasos de cada especie influye en la calidad del biodiesel resultante y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta al seleccionar las especies de algas para la materia prima.
Licuefacción hidrotermal
Un enfoque alternativo denominado licuefacción hidrotérmica emplea un proceso continuo que somete a las algas húmedas recolectadas a altas temperaturas y presiones: 350 ° C (662 ° F) y 3,000 libras por pulgada cuadrada (21,000 kPa).
Los productos incluyen el petróleo crudo, que se puede refinar aún más en combustible de aviación, gasolina o combustible diesel utilizando uno o varios procesos de actualización. El proceso de prueba convirtió entre 50 y 70 por ciento del carbono de las algas en combustible. Otras salidas incluyen agua limpia, gas combustible y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio.
Nutrientes
Los nutrientes como el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K) son importantes para el crecimiento de las plantas y son partes esenciales del fertilizante. La sílice y el hierro, así como varios oligoelementos, también pueden considerarse nutrientes marinos importantes, ya que la falta de uno puede limitar el crecimiento o la productividad en un área.
Dióxido de carbono
El burbujeo de CO2 a través de los sistemas de cultivo de algas puede aumentar considerablemente la productividad y el rendimiento (hasta un punto de saturación). Normalmente, se utilizarán aproximadamente 1,8 toneladas de CO2 por tonelada de biomasa de algas (seca) producida, aunque esto varía con las especies de algas. La destilería Glenturret en Perthshire, Reino Unido, sede del famoso whisky grouse, percolado de CO2 producido durante la destilación del whisky a través de un biorreactor de microalgas. Cada tonelada de microalgas absorbe dos toneladas de CO2. Scottish Bioenergy, quien dirige el proyecto, vende las microalgas como un alimento de alto valor y rico en proteínas para la pesca. En el futuro, utilizarán los residuos de algas para producir energía renovable a través de la digestión anaeróbica.
Nitrógeno
El nitrógeno es un sustrato valioso que se puede utilizar en el crecimiento de algas. Se pueden usar varias fuentes de nitrógeno como nutriente para las algas, con capacidades diferentes. Se descubrió que el nitrato es la fuente preferida de nitrógeno, en lo que respecta a la cantidad de biomasa cultivada. La urea es una fuente fácilmente disponible que muestra resultados comparables, lo que la convierte en un sustituto económico de la fuente de nitrógeno en el cultivo de algas a gran escala. A pesar del claro aumento en el crecimiento en comparación con un medio sin nitrógeno, se ha demostrado que las alteraciones en los niveles de nitrógeno afectan el contenido de lípidos dentro de las células de algas. En un estudio, la privación de nitrógeno durante 72 horas hizo que el contenido total de ácidos grasos (por célula) aumentara en 2,4 veces. El 65% del total de ácidos grasos se esterificaron a triacilglicéridos en cuerpos oleosos, en comparación con el cultivo inicial, lo que indica que las células de algas utilizaron la síntesis de novo de ácidos grasos. Es vital que el contenido de lípidos en las células de algas sea lo suficientemente alto, mientras se mantienen tiempos de división celular adecuados, por lo que los parámetros que pueden maximizar ambos están bajo investigación.
Aguas residuales
Una posible fuente de nutrientes son las aguas residuales del tratamiento de las aguas residuales, la agricultura o la escorrentía de la llanura de inundación, todos los principales contaminantes actuales y los riesgos para la salud. Sin embargo, estas aguas residuales no pueden alimentar a las algas directamente y primero deben ser procesadas por bacterias, a través de la digestión anaeróbica. Si el agua residual no se procesa antes de que alcance las algas, contaminará las algas en el reactor y, por lo menos, eliminará gran parte de la cepa de algas deseada. En las instalaciones de biogás, los desechos orgánicos a menudo se convierten en una mezcla de dióxido de carbono, metano y fertilizante orgánico. El fertilizante orgánico que sale del digestor es líquido y casi adecuado para el crecimiento de algas, pero primero debe limpiarse y esterilizarse.
La utilización de aguas residuales y agua de mar en lugar de agua dulce se recomienda fuertemente debido al continuo agotamiento de los recursos de agua dulce. Sin embargo, los metales pesados, metales traza y otros contaminantes en las aguas residuales pueden disminuir la capacidad de las células para producir los lípidos de forma biosintética y también afectar otros trabajos en la maquinaria de las células. Lo mismo es cierto para el agua del océano, pero los contaminantes se encuentran en diferentes concentraciones. Por lo tanto, los fertilizantes de calidad agrícola son la fuente preferida de nutrientes, pero los metales pesados son nuevamente un problema, especialmente para las cepas de algas que son susceptibles a estos metales. En sistemas de estanques abiertos, el uso de cepas de algas que pueden lidiar con altas concentraciones de metales pesados podría evitar que otros organismos infesten estos sistemas. En algunos casos, incluso se ha demostrado que las cepas de algas pueden eliminar más del 90% del níquel y el zinc de las aguas residuales industriales en períodos de tiempo relativamente cortos.
Impacto medioambiental
En comparación con los cultivos de biocombustibles basados en la tierra, como el maíz o la soja, la producción de microalgas produce una huella de la tierra mucho menos significativa debido a la mayor productividad del petróleo de las microalgas que en todos los demás cultivos. Las algas también se pueden cultivar en tierras marginales inútiles para cultivos ordinarios y con bajo valor de conservación, y pueden usar agua de los acuíferos de sal que no es útil para la agricultura o el consumo. Las algas también pueden crecer en la superficie del océano en bolsas o pantallas flotantes. Por lo tanto, las microalgas podrían proporcionar una fuente de energía limpia con poco impacto en el suministro de alimentos y agua adecuados o en la conservación de la biodiversidad. El cultivo de algas tampoco requiere subsidios externos de insecticidas o herbicidas, eliminando cualquier riesgo de generar flujos de desechos de pesticidas asociados. Además, los biocombustibles de algas son mucho menos tóxicos y se degradan mucho más fácilmente que los combustibles derivados del petróleo. Sin embargo, debido a la naturaleza inflamable de cualquier combustible combustible, existe la posibilidad de algunos peligros ambientales si se enciende o se derrama, como puede ocurrir en el descarrilamiento de un tren o en una fuga en la tubería. Este peligro se reduce en comparación con los combustibles fósiles, debido a la capacidad de los biocombustibles de algas para producirse de una manera mucho más localizada, y debido a la menor toxicidad en general, pero el peligro todavía existe. Por lo tanto, los biocombustibles de algas deben tratarse de manera similar a los combustibles derivados del petróleo en el transporte y el uso, con medidas de seguridad suficientes en todo momento.
Los estudios han determinado que reemplazar los combustibles fósiles con fuentes de energía renovables, como los biocombustibles, tiene la capacidad de reducir las emisiones de CO2 hasta en un 80%. Un sistema basado en algas podría capturar aproximadamente el 80% del CO2 emitido por una central eléctrica cuando la luz solar está disponible. Aunque este CO2 se liberará más tarde a la atmósfera cuando se quema el combustible, este CO2 habría ingresado a la atmósfera a pesar de todo. La posibilidad de reducir las emisiones totales de CO2, por lo tanto, reside en la prevención de la liberación de CO2 de los combustibles fósiles. Además, en comparación con combustibles como el diesel y el petróleo, e incluso en comparación con otras fuentes de biocombustibles, la producción y combustión del biocombustible de algas no produce óxidos de azufre ni óxidos nitrosos, y produce una cantidad reducida de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y Emisiones de otros contaminantes nocivos. Dado que las fuentes terrestres de producción de biocombustibles simplemente no tienen la capacidad de producción para cumplir con los requisitos energéticos actuales, las microalgas pueden ser una de las únicas opciones para abordar el reemplazo completo de los combustibles fósiles.
La producción de microalgas también incluye la capacidad de utilizar residuos de solución salina o residuos de CO2 como fuente de energía. Esto abre una nueva estrategia para producir biocombustibles junto con el tratamiento de aguas residuales, al tiempo que se puede producir agua limpia como un subproducto. Cuando se usan en un biorreactor de microalgas, las microalgas recolectadas capturan cantidades significativas de compuestos orgánicos, así como también contaminantes de metales pesados absorbidos de las corrientes de aguas residuales que de lo contrario se descargarían directamente a las aguas superficiales y subterráneas. Además, este proceso también permite la recuperación de fósforo a partir de desechos, que es un elemento esencial pero escaso en la naturaleza, cuyas reservas se han agotado en los últimos 50 años. Otra posibilidad es el uso de sistemas de producción de algas para limpiar la contaminación de fuentes no puntuales, en un sistema conocido como un depurador de césped de algas (ATS). Se ha demostrado que esto reduce los niveles de nitrógeno y fósforo en los ríos y otras grandes masas de agua afectadas por la eutrofización, y se están construyendo sistemas que serán capaces de procesar hasta 110 millones de litros de agua por día. El ATS también se puede usar para tratar la contaminación de fuentes puntuales, como las aguas residuales mencionadas anteriormente, o para tratar el efluente del ganado.