ENVIRONMENTAL, SCIENCES AND PRACTICES

Introducción

Actualmente los combustibles fósiles son uno de los principales factores de diversos problemas ambientales, este recurso obtenido de la descomposición natural de materia orgánica se está agotando día con día; provocando que los precios de las reservas petroleras se eleven, dificultando el acceso a ellos. Una opción viable para evitar estos problemas de agotamientos es la alternativa de elaboración de nuevos combustibles mediante otros compuestos. 

Los métodos y compuestos alternativos para la producción de combustibles implican principalmente reducir el impacto ambiental y poder prevenir la escasez de las reservas de combustibles fósiles. Las microalgas es una de las alternativas fundamentales a la producción de biodiésel, al igual para la obtención de otros productos energéticos como el bioetanol, biometano y biohidrógeno (Heredia et al 2019) El presente trabajo, tiene como objetivo analizar la importancia de la obtención de biocombustibles mediante la microalga Chlorella vulgaris como materia prima, con la finalidad de dar una mejor ideología a los diferentes métodos y fuentes para la obtención de combustibles renovables que no afecten al medio ambiente.

Además, que pueden ser utilizadas en zonas no aptas para los cultivos tradicionales y alcanzando tasas de crecimiento altas (0.5 a 1.2 d^-1). Sin embargo, muchas tecnologías de cultivo de microalgas involucran el uso de agua no contaminada, fertilizantes e inyección de CO₂ para su crecimiento, lo cual eleva el costo de la producción de biomasa algal y reduce su atractivo como tecnología. Para minimizar estos inconvenientes, una alternativa de cultivo es usar aguas residuales municipales, de la agricultura y la ganadería, donde las microalgas pueden desarrollarse aprovechando los nutrientes en este tipo de descargas. Esta integración permite: 

1. Tratar las aguas residuales.
2. Obtener un efluente de alta calidad.
3. Generar biomasa algal útil para producir biodiésel u otros tipos de biocombustibles.

Por lo que las algas son organismos fotoautotróficos y presentan un rápido crecimiento en poco tiempo, lo que permite que se puedan cultivar en este tipo de aguas; ya que, la absorción de nutrientes por las microalgas emplea un alto contenido en nitrógeno, silicio, fosfato y sulfato de desechos humanos o animales; además que pueden retener dióxido de carbono (CO₂) de fuentes industriales. De tal manera, que estas razones sustentan la investigación sobre las microalgas Chlorella vulgaris, ya que el obtenerlas no es un obstáculo.

En un estudio realizado en el 2006 por la Secretaria de Energía (SENER) de México se menciona que la producción de biodiésel a escala comercial puede ser factible a mediano plazo si se llevan a cabo acciones integrales, que incluyan aspectos técnicos, económicos y medioambientales con el sector agrario y agroindustrial, conjuntando esfuerzos en investigación y desarrollo tecnológico. Aluden que México requiere 10 plantas industriales con capacidad de 100,000 ton/año cada una, sólo para sustituir el 5% del diésel de petróleo usado cada año y recomiendan que la producción y el procesamiento se realicen con tecnologías diseñadas y construidas en el propio país. También argumentan que el uso de biodiésel reduciría en un 45% las emisiones de hidrocarburos, 47% de CO₂, y hasta un 66% las emisiones de partículas al ambiente (Escalante 2019).

En este sentido, los ácidos grasos de cadena larga obtenidos a partir de biomasa renovable (aceites vegetales, grasas animales y aceites de microalgas) representan la principal materia prima para la producción de biodiésel líquido obtenido en forma de alquil-ésteres de alcoholes de cadena corta como etanol y metanol. Los procesos más usados para la obtención de biodiésel son la pirólisis y la transesterificación, sin embargo, en el primer caso el método es caro y ofrece rendimientos bajos, mientras que el segundo se presenta como el método más viable para la obtención de biodiésel. Este proceso de conversión de aceites a biodiésel es necesario debido a que los aceites vegetales o extraídos de microalgas presentan una alta viscosidad y baja volatilidad, causando una combustión incompleta y la disposición de depósitos de carbón (Escalante 2019).

El cultivo a gran escala de microalgas busca obtener cantidades importantes de un producto valioso; por lo tanto, la productividad del sistema debe ser máxima. La comprensión de los factores que determinan el crecimiento óptimo es fundamental son (Robles et al 2019): 

• Medio de cultivo. 
• Intercambio de gases. 
• pH.
• Temperatura
• Régimen de iluminación. 

La temperatura es un factor ambiental muy importante debido a su gran influencia en el desarrollo de las microalgas. El efecto de la temperatura en la composición bioquímica afecta principalmente a dos mecanismos diferentes que son: la tasa de dependencia de la temperatura de las reacciones químicas y bioquímicas, y la dependencia de la temperatura para la fijación de carbono fotosintético en varios tipos de macromoléculas, como proteínas, carbohidratos y lípidos.

 Este tipo de microalgas tienen un impacto especialmente en la ecología, ya que a través de ellas resulta una ventaja muy importante desde el punto de vista energético y ecológico, puesto que, presentan un mínimo nivel de emisión de gases nocivos como del dióxido de carbono (CO₂), compuesto principal del efecto invernadero (González 2015). Además de reducir otras cantidades de contaminantes, definiendo de esta forma al biodiésel como un producto biodegradable, que a partir de este también se pueden obtener aceites vegetales como la soya, palma, girasol entre otros.

Método

Microalga Chlorella vulgaris

Las microalgas son microorganismos microscópicos fotosintéticos y unicelulares, estos se clasifican en procariotas y eucariotas que pueden crecer de manera autotrófica o heterotrófica. Se dividen en diferentes grupos dependiendo su taxonomía. La Chlorella vulgaris es un alga unicelular de pigmentación verde de forma esférica; considerada como opción para la producción de biodiésel y bioetanol por su alto contenido de lípidos y aceites, sin embargo, estas tienen la capacidad de producir biomasa rápidamente en comparación con otros cultivos energéticos. Estos organismos al igual que las plantas, son capaces de utilizar el CO₂ y la luz solar para generar complejas biomoléculas que son necesarias para su supervivencia. De manera general son organismos fotoautótrofos, es decir, obtienen la energía de la luz proveniente del Sol y se desarrollan a partir de materia inorgánica. Sin embargo, algunas especies son capaces de crecer empleando materia orgánica como fuente de energía o de carbono. La selección de microalga es el primer paso en el desarrollo de un proceso de producción, éstas deben tener las características adecuadas para las condiciones de cultivo específicas, con el fin de conseguir un determinado producto (Tabla 1) (Escalante 2019).

Tabla 1

Porcentaje lipídico y productividad de biomasa y lípidos de distintas microalgas

Bioreactor

Las microalgas Chlorella vulgaris son un tipo de células alégales provenientes de un género de algas verdes de la clase Chlorococcales, para llevar a cabo la producción de biodiésel y bioetanol se emplean sistemas abiertos y cerrados por medio de fotobiorreactores (FBR), donde pueden utilizarse diferentes recipientes y configuraciones. Los sistemas cerrados son aquellos que se encuentran como FBR tubulares (Figura 1a) y de columna (Figura 1b), sin embargo, tiene un costo elevado en su construcción y operación, pero tienen la ventaja de controlar y mejorar las condiciones de cultivo, además de reducir los riesgos de contaminación por otros microorganismos; y brindando una mayor productividad de biomasa y aumentando la eficiencia en el uso de luz. 

Figura 1. a) Fotobiorreactores Tubulares, b) Fotobiorreactores de Columna.

Mientras que los sistemas abiertos son más empleados para producción comercial de biomasa de las microondas, por su rapidez y facilidad de mantenimiento. Este tipo de sistemas operan a un bajo costo, sin embargo, su desventaja recae en las pérdidas de agua debido a la evaporación, penetración limitada de luz, altos periodos de producción, control limitado de condiciones de cultivo y la limitada transferencia de CO₂ debido a su baja concentración en el aire.

Sin embargo, existe una alternativa para la producción de biocombustible por Chlorella vulgaris, donde se pueden emplear incluso botellas de plástico de 2 L. Así como FBR de vidrio de mayor volumen, (5, 10, 20) L, para procesos extensos en la creación de biocombustibles (Figura 2).

Figura 2. Metodología General de Operación para la Obtención de Biodiésel y Bioetanol.

Proceso de Aireación

La aireación es de gran importancia para la producción de microalgas, en este proceso se homogeneizan todos los nutrientes. Por ello, se debe realizar un mezclado bien distribuido y evitar la sedimentación de las células algales, ya que una agitación excesiva puede causar un estrés hidrodinámica y como consecuencia una disminución en la tasa de crecimiento. Este tratamiento de aguas consiste en exigir una fuente de oxígeno, conocida comúnmente como purificación biológica aeróbica del agua (Plata, Kafarov y Moreno 2009).

Para la realización de biocombustibles como el bioetanol y biodiésel, se necesita cualquier tipo de luz eléctrica para la motivación de la reproducción de las algas, de tal forma que el proceso se conforma por rotámetros que controlan la aireación sin afectar su crecimiento. Por lo tanto, el mezclado se realiza inyectando aire mientras se agita por bubujeo, donde por gravedad las células descienden y por la inyección de aire suben, el mezclado es continuo durante el proceso de cultivo, asegurando que la homogeneidad de las células y nutrientes que están dentro del cultivo; de tal forma que se eliminan los gradientes de luz, nutrimentos y temperatura.

Medio de Cultivo

Existen diversos factores que influyen en el proceso de cultivo de la microalga Chlorella vulgaris, por ello es importante conocer e identificar las condiciones óptimas tanto individual como en conjunto que tienen de tolerancia las cepas microalgales. Por lo tanto, para conseguir un cultivo de microalgas en crecimiento activo es necesario un inóculo viable, un suministro mínimo de nutrientes y condiciones químicas y físicas adecuadas. Estas condiciones son:

Iluminación que se divide en dos componentes importantes como irradiancia y el fotoperiodo. El primero hace referencia al flujo de luz en las cuales están expuestas las microalgas, mientras que el segundo termino nos indica el número de horas en las que las microalgas son sometidas por la irradiancia. Las algas se adaptan a los cambios de luz variando el contenido de clorofila de sus células, de modo que las algas adaptadas a bajos niveles de luminosidad tienen una respuesta más rápida a cambios en la intensidad luminosa ya que tienen más clorofila que las que están adaptados a intensidades de luz altas (Plata, Kafarov y Moreno 2009). Los organismos fotosintéticos sólo emplean la fracción del espectro de luz solar que es fotosintéticamente activa, es decir entre 350 y 700 nm. Esta fracción fotosintéticamente activa supone un 40% de la radiación total del Sol. La mayor parte de los ecosistemas naturales vegetales presentan una eficiencia de alrededor del 1% en lo que a conversión de energía lumínica en biomasa se refiere. Se han demostrado, para las microalgas, eficiencias de conversión luz-biomasa entre 1 y 4 % en sistemas abiertos y aún mayores en fotobiorreactores cerrados (González et al 2019)

Otro de los factores influyentes es la temperatura, durante el proceso de cultivo se consideran tres tipos de temperatura. La temperatura mínima es aquella que se encuentra por debajo de la óptima, por lo tanto, no es posible que ocurra un crecimiento, al igual que la máxima que está por encima y se encuentra alrededor de los 35ºC. Mientras que la temperatura optima se encuentra entre los 16 y 27ºC, sin embargo, esta varía dependiendo el tipo de microalga. Sin embargo, los cambios de temperatura pueden causar alteraciones en las rutas metabólicas, afectando el crecimiento y desarrollo de los cultivos, ya que disocia las moléculas de carbono del medio haciéndolas disponibles para la fotosíntesis.

También las microalgas necesitan de un pH para su crecimiento, el rango de pH para la mayoría de los cultivos de microalgas está entre 7 y 9. Un pH óptimo en el cultivo generalmente es mantenido gracias a la aireación con aire enriquecido con CO₂. En el caso de los cultivos de alta densidad celular, la adición de dióxido de carbono corrige un incremento del pH, el cual puede llegar a un valor límite de 9 para el crecimiento de la microalga. Una reducción alta o baja del pH disminuye el crecimiento de la microalga por el rompimiento de muchos procesos celulares. El rango óptimo puede estar entre 8.2 a 8.7. El pH puede ser controlado mediante adición de CO₂, también hay un incremento del pH con la edad o tiempo del cultivo y el proceso fotosintético de fijación de CO₂ provoca un aumento gradual de pH en el medio debido a la acumulación de OH- (González et al 2019).

Por lo tanto, las microalgas se encontrarán en un conservador de cultivos para reproducción de más células (Figura 3a), y por medio de sepas tomar los inóculos de 500 mL de solución con una agitación constante durante 5 días con el fin de determinar ciertas cantidades de células (Santos, González y Martín 2014). Al final del proceso la Chlorella vulgaris pasa por una transterificación y una fermentación por aireación hasta convertirse en biodiesel y en bioetanol, sustancias utilizadas por la sociedad como combustible en carros, colección en artículos domésticos entre infinidades de acciones de la vida diaria del ser humano (Figura 3 b).

Figura 3. a) Diagrama de Crecimiento de los Microorganismos, b) Crecimiento y Disminución de Substrato

Transesterificación o alcohólisis

La transesterificación o alcohólisis es la reacción química ocurrida entre los aceites y un alcohol (comúnmente metanol o etanol) para producir glicerol y alquíl ésteres de ácidos grasos, los cuales son conocidos como biodiesel. Los principales factores que influyen en el proceso son la relación molar alcohol: triglicéridos, el tipo de catalizador (álcali, ácido, lipasas), la temperatura, el tiempo de reacción y el contenido de agua y ácidos grasos libres en la materia prima. En la actualidad, la mayoría del biodiesel es producido mediante transesterificación alcalina, a causa de su rapidez y condiciones moderadas de operación (González 2015)

Se requiere el uso de un catalizador para mejorar la conversión, el cual puede ser ácido o básico, homogéneo o heterogéneo. La catálisis homogénea ha sido hasta el momento la más implementada a nivel industrial. H2SO4 suele usarse con mayor frecuencia en catálisis ácida; no obstante, además de las dificultades surgidas por la corrosión de los equipos implicados en el proceso, se necesitan relaciones molares altas para alcanzar conversiones significativas [Robles et al 2019, Conde et al 2015]; por consiguiente, se prefiere emplear catalizadores básicos. Entre ellos, el más utilizado es NaOH en niveles que van de 0.75 a 1.5% w/w con base en el peso del aceite. Sin embargo, en el caso particular de la etanólisis, los niveles recomendados oscilan entre 0.4 y 0.8% (Figura 4), (Robles et al 2019).

Figura 4. Reacción química del proceso de transesterificación.

Fermentación

Las microalgas son ricas en hidratos de carbono, por este medio se emplean como fuentes de carbono para obtener uno de los biocombustibles como el bioetanol. Por medio de la fermentación de la biomasa estos organismos alégales se puede convertir favorablemente con las biomasas obtenidas de cultivos alimentarios como la caña de azúcar o el maíz. El bioetanol de microalgas se puede obtener mediante dos tecnologías: fermentación, que consiste en la conversión de los materiales de la biomasa que contienen azúcares en etanol por levaduras, y gasificación, que implica convertir la biomasa en un gas de síntesis y éste se convierte en etanol posteriormente por catálisis. En la Fig. 5 se muestra un diagrama simplificado del proceso de producción de bioetanol cuyas etapas fundamentales son la fermentación y la destilación.

Figura 5. Diagrama del proceso de producción de bioetanol.

Resultados

Actualmente los factores económicos y ambientales son de indices altos, por lo cual, se busca una alternativa de combustibles de bajo impacto ambiental sin afectar la economía. Combustibles como el biodiésel y bioetanol a partir de microalgas surgen como sustitutos de los combustibles fósiles, puesto a que presentan ventajas principalmente por su biodegradabilidad y mínima toxicidad. Además, que durante su combustión producen componentes de menores emisiones como por ejemplo sulfatos, compuestos aromáticos y dióxido de carbono.

Se analizaron cepas de Chlorella vulgaris para la obtención de biodiésel y bioetanol en los laboratorios de Biotecnología de la Universidad Autónoma del Carmen (UNACAR), mediante un sistema de operación de FBR ecológicos, se replicó la columna de burbujeo mediante botellas PET con un volumen de 3 L, además de una botella con un volumen de 1 L para el agua destilada que se emplea para hidratar el aire por medio de agitación y evitar la evaporación del medio de cultivo (Figura 6a). De la misma manera se utilizaron otras dos botellas de con agua clorada al 20%, para evitar una posible contaminación al exterior.

La función del sistema en general contaba de una manguera plástica a un soplador y al otro extremo un rotámetro en la parte inferior. Mientras que en la parte superior del rotámetro se conectaba otra manguera plástica de 1 m de largo y su extremo se introducía uno de los orificios de la botella con agua destilada; después se utilizó un segmento de manguera plástica de 0.7 m de largo y se introdujo en el segundo orificio de la botella de agua destilada con una profundidad de 3 cm dentro del envase, el otro extremo de la manguera de 0.7 m se introdujo en el FBR con el medio del cultivo; se tomó otra manguera de 0.7 m de largo y se introdujo por uno de los orificios de la tapa del FBR para capturar el aire expulsado y este fuera transferido a una solución clorada contenida en una segunda botella. 

Los cultivos se mantuvieron en aclimataciones por 30 días en matraces Erlenmeyer de 250 ml con una iluminación constante de lámparas de luz blanca fría fluorescente que ayudara a la motivación de la reproducción de las algas (Figura 6d), de tal forma que el proceso se conforma por rotámetros que controlan la aireación sin afectar su crecimiento (Figura 6c). Se prepararon medios de cultivos enriquecidos a 90 mg L-1 (C90): se prepararon 4 L de medio fresco, se les agregaron 3 mL de sales, 3 mL metales traza (medio f/2 de Guillard y Ryther) por L de solución; el medio se esterilizó en autoclave a 120ºC y 30 atm, se dejó enfriar para adicionar 3 mL de vitaminas por cada litro de agua.

 Durante el proceso el aire de salida se burbuja en agua clorada a fin de evitar contaminar el exterior (Figura 6b). Una vez obtenida la biomasa se recupera dicho producto para la extracción del aceite, cuando el aceite se extrae se adiciona cierto porcentaje de solvente para realizar un proceso de transesterificación con la finalidad de obtener biodiésel, en donde ocurre una reacción química entre aceite vegetal y alcoholes, principalmente influyendo el factor de relación molar alcohol como los triglicéridos que generan las microalgas, una vez catalizada la sustancia, se obtienen ésteres alquílicos de ácidos grasos y glicerol. Mientras que por un proceso de fermentación se obtiene como resultado bioetanol, con ayuda de levaduras como los azucares provenientes de la biomasa de las microalgas. La población a nivel mundial debe resolver problemas relacionados con el desabasto energético, de aquí la importancia de explorar nuevas fuentes de energía renovable. Así pues, la biomasa algal podría satisfacer cerca del 25% de las necesidades energéticas mundiales, proveyendo además otros productos biotecnológicos (Santos, González y Martín 2014).

Figura 6. a) Modo de operación de un FBR para el sistema de cultivo, b) Método de transesterificación de Chlorella vulgaris , c) Equipo de Rotametros y Reactor, d) Cultivos de Chlorella vulgaris.

Discusión y conclusiones

Los análisis obtenidos de las microalgas Chlorella vulgaris examinados en las instalaciones de la UNACAR, se identifican como uno de los mejores microorganismos productores de triglicéridos principalmente empleados para la obtención de biodiésel y bioetanol. Sin embargo, hoy en día es necesario una mayor investigación para determinar el mejor método de cultivo y con ello obtener un mayor rendimiento equilibrado de biomasa y lípidos, como base para la obtención de estos bicombustibles, así como mejorar la tecnología a fin de realizar un proceso ideal de cosecha, que es el punto de mayor costo en relación a los procesos de cultivo de estos microorganismos.

Ya que, a nivel industrial, los cultivos de microalgas a gran escala han demostrado ser efectivos y eficientes. Por lo cual, la difusión de esta tecnología es de un ámbito científico y fundamental para continuar su desarrollo. Sin embargo, existen ciertas limitaciones como por ejemplo que las leyes permitan la utilización de aguas residuales para cultivos. Otro de los factores que influye es el uso del suelo, puesto que es de suma importancia determinar la localización de la planta de los cultivos.

Las microalgas son la principal fuente de engría renovable, al igual que en la nutrición humana y animal. Existen diversos métodos de extracción empleados en las microalgas como físicos, mecánicos y químicos. Sin embargo, el método de extracción química es uno de los procesos fundamentales para las microalgas, ya que se obtienen un mayor rendimiento debido a la presencia de solventes orgánicos que ofrecen una mayor extracción de lípidos presentes en las microalgas Chlorella vulgaris.

A diferencia de los combustibles fósiles, los combustibles obtenidos por microalgas o también definidos como biocombustibles; tienen una alta capacidad de captación de los gases de efecto invernadero, problemática principal que actualmente afecta al medio ambiente. El dióxido de carbono (CO₂) es uno de los componentes que afecta a la capa de ozono y que la mayoría de los artículos o productos que utiliza el ser humano lo produce, por ello, las microalgas son excelentes biomitigadores del CO₂ y de tratamientos de aguas residuales. 

En el caso de la producción de biodiésel y bioetanol ha sido de gran ayuda para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero producidos durante la combustión de carburantes fósiles. Además de evitar la utilización de cultivos tradicionalmente empleados para la alimentación humana como materia prima. A pesar de las adversidades actuales para adquirir este tipo de aceite, el desarrollo de una metodología de transesterificación o de fermentación bien elaborada, permite que la obtención del aceite de la Chlorella Vulgaris resulta alentadora.

En México este tipo de producciones para obtener biodiésel y bioetanol a partir de microalgas, es de gran importancia si se consideran un buen desarrollo de tecnología y energía. Por lo cual, en un futuro estos factores darán respuestas satisfactorias a la ecología y potencialmente sustentable al requerimiento de combustibles líquidos producidos, haciendo que aumente la economía en nuestro país.

Agradecimientos

La presente investigación es respaldad por la Facultad de Química de la Universidad Autónoma del Carmen (UNACAR) dentro del marco de investigaciones. También agradezco a los asesores del proyecto la Dra. Asteria Narváez García y al Dr. Juan Carlos Robles Heredia por sus apoyos, recursos y principalmente por brindarme los conocimientos necesarios para llevar a cabo la investigación.

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