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Combustible a partir de microalgas, una opción con futuro en Colombia

Después de verificar que desde 2015 la concentración de dióxido de carbono (CO2 ) en la atmósfera superó las 400 partes por millón (ppm), la Organización Meteorológica Mundial (de Naciones Unidas) afirma que “en el mundo un cambio climático abrupto, peligroso e irreversible parece inevitable”. Dicha cantidad es una cifra récord de este gas de efecto invernadero, que se aleja del umbral de seguridad recomendado por la comunidad científica para evitar el cambio climático.

Aunque los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) son los principales liberadores de CO2, la mayoría de los países del mundo los usa como fuente principal de energía para el transporte, la industria, la electricidad y la cocina, entre otras actividades.

Por eso en la última década ha aumentado el uso de fuentes renovables de energía que impactan significativamente menos en la generación neta de CO2, como el biocrudo.

Por más de 10 años, el profesor Rubén Darío Godoy, del Departamento de Ingeniería Química de la UNAL, ha trabajado en la producción de microalgas –plantas microscópicas presentes en todos los ecosistemas acuáticos– para obtener biodiésel de una manera alternativa, con menor impacto negativo al medioambiente y mayor productividad que aquel producido a partir de aceites vegetales.

Una alternativa que aprovecha la situación de Colombia

Según el profesor Godoy, ni el bioetanol (hecho a partir de la fermentación de maíz o caña de azúcar) ni el biodiésel (elaborado a partir de aceites de palma, soya u otros cereales) pueden responder a la demanda global de combustible con sustentabilidad ambiental y económica como lo hacen los biocrudos obtenidos a partir de algas.

La principal razón es que estos pueden ser hasta 50 veces más eficientes en convertir la luz solar en biomasa que las plantas terrestres. Además no requieren suelo fértil, pueden crecer en agua dulce, salada o residual y requieren de 6 a 10 veces menos agua que algunos cultivos comerciales, como el maíz o los pastos.

La propuesta del profesor Godoy aprovecha el hecho de que Colombia posee una alta riqueza hídrica y lumínica, características esenciales para cultivar microalgas. Estas se constituyen entonces en una alternativa promisoria, porque es posible hacer que crezcan en zonas no aptas para la agricultura, como los desiertos o las áreas marinas.

Así mismo, en comparación con las plantas oleaginosas (por ejemplo la palma africana), tienen rendimientos hasta 50 veces más altos de lípidos (moléculas orgánicas compuestas principalmente de carbono e hidrógeno) por unidad de tiempo y área cultivada.

El profesor Godoy explica que “presentan mayor eficiencia fotosintética que las plantas, logrando convertir entre el 3 y el 8 % de la energía solar en biomasa, mientras que el rendimiento observado en las plantas es cercano al 0,5 %. También tienen una tasa de crecimiento elevada, duplicando su biomasa en cerca de 24 horas”.

Dos especies de algas analizadas

Considerando su elevado rendimiento, la investigación del docente y de su grupo de investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos se centró en dos especies de algas: Scenedesmus ovalternus y Chlorella vulgaris, que requieren condiciones sencillas de cultivo. Esto quiere decir que bastan concentraciones bajas de luz, fotosintéticos, agua, sales minerales y glicerol, que proviene de las corrientes residuales y funciona muy bien para engordar las algas y producir biocrudo.

Según el profesor Godoy, “los resultados obtenidos indican que se pueden lograr poderes caloríficos, energía que se obtiene al quemar la sustancia en presencia de oxígeno, del orden del 80 al 85 % del poder calorífico del petróleo y viscosidades similares o inferiores a las de algunos crudos colombianos, lo cual permite afirmar que el biocrudo obtenido a partir de microalgas es una fuente promisoria”.

Como las microalgas producen lípidos, entre más gorda esté, mejor calidad tendrá el combustible. Una de las ventajas del biocrudo producido es que no tiene azufre, dañino para el medioambiente por ser un generador de lluvia ácida, que se produce cuando ciertas emisiones contaminantes entran en contacto con la humedad de la atmósfera.

La producción de combustible a partir de las dos algas empleadas en el proyecto investigativo todavía tiene una limitación: genera nitrógeno, lo que representa una disminución de la cantidad de energía que se obtiene al quemarse.

En términos de la energía que se produce por cantidad de materia empleada, “esto quiere decir que 1 gramo de diésel normal tiene alrededor de 45 kilojulios, y el combustible que estamos produciendo tiene entre 32 y 38 kJ/mol, entonces estamos obteniendo el 80 % de la energía del crudo. Si nosotros logramos bajar los niveles de nitrógeno, tendríamos un crudo de mejor calidad”, señala el docente.

Una alternativa más económica

Las especies se mantuvieron en el Laboratorio de Cultivo de Algas de la UNAL, cultivadas en el medio basal de Bold (un medio básico compuesto de agua destilada, macro y micronutrientes minerales, que simula la composición del agua dulce) a 24 oC, con iluminación artificial dada por lámparas fluorescentes (un fotoperiodo de 18 horas de luz y 6 de oscuridad) y aireación de 0,7 vvm (volumen de aire por volumen de medio por minuto).

El cultivo de mantenimiento se desarrolló en botellas de vidrio planas de 4,5 cm de espesor y capacidad de 330 mililitros (mL), con un volumen de cultivo de 200 mL. Su crecimiento se estimó mediante conteo celular directo diario empleando una cámara de Neubauer y un microscopio.

El docente comenta que la microalga Chlorella vulgaris tiene un mejor perfil como fuente potencial para producir biodiésel porque su acumulación de grasas fue un 25 % mayor con respecto a la Scenedesmus ovalternus, lo que significa que su proceso de extracción podría ser un 25 % más económico.

¿Cómo es el proceso último de producción de energía? El profesor Godoy lo describe de este modo: “después de cultivar las microalgas, las ponemos en un reactor –construido por nosotros y que es casi como una olla de presión–, en agua a altas temperaturas para obtener crudo en cerca de una hora. Cuanto más baja sea la temperatura, más viscoso saldrá el crudo. Por eso el proceso se debe efectuar entre 250 oC y 300 oC; si se pasa de 350 oC se disminuye el rendimiento y todo se convierte en gas”.

Cuando el reactor se enfría y se liberan los gases se extrae el crudo obtenido y se filtra para recuperar la fase acuosa, lo que se hace a través de un rotavapor en el que se evapora la sustancia obtenida mediante destilación. Luego se vuelve a condensar para separar el crudo de los sólidos que han quedado. Este proceso puede tardar cerca de 30 minutos para una cantidad de 200 mL.

¿Por qué las microalgas?

Las microalgas también son una de las mejores alternativas para producir biocrudo por su elevado contenido de lípidos, en algunas especies, y por las reacciones químicas de estos, especialmente de triglicéridos, que son el mejor sustrato para la producción de biodiésel.

Además las propiedades de la biomasa residual después de extraer los lípidos se pueden aprovechar de modos amplios en las industrias alimentaria, farmacéutica, agropecuaria e incluso en la producción de alcoholes combustibles y en la generación de energía.

El biodiésel ha ido ganando popularidad mundial como fuente de energía renovable debido a sus ventajas económicas, ambientales y sociales; hoy los cinco principales productores en el mundo son Estados Unidos, Alemania, Francia, Argentina y Brasil. Se espera que en el corto y mediano plazo con los incentivos establecidos paulatinamente por distintos Gobiernos se aumente la producción y el consumo de estos combustibles renovables.

En Colombia el marco normativo que les dio vida a los biocombustibles está fundamentado en las leyes 693 de 2001 (ley del etanol carburante) y 939 de 2004 (ley del biodiésel). El etanol de caña de azúcar empezó a producirse el 3 de octubre de 2005 y el biodiésel de aceite de palma el 1 de enero de 2008.

En varios países los cultivos algales se utilizan para obtener productos de alto valor añadido para el sector de los alimentos funcionales o nutracéuticos (proteínas, antioxidantes, alimentos funcionales, ácidos poliinsaturados).

Así mismo se han beneficiado de la producción de los biocombustibles los sectores cosmético (pigmentos), energético (biodiésel, biogás, bioetanol y biohidrógeno), agrícola (biofertilizantes, acuicultura, aditivos, alimentos animales) y ambiental (fijación de CO2, biorremediación, depuración de aguas residuales, entre otros).

Aunque todavía no hay una producción masiva y queda mucho por mejorar para pasar de los laboratorios a la industrial, se tiene claro que las microalgas son una materia prima con un futuro promisorio para la generación de biocombustibles en los próximos años.

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