CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO

PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL A PARTIR DE MICROALGAS. ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA Y FACTIBILIDAD ECONÓMICA.

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MASTER EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA AMBIENTAL

Presenta: Ing. Itzel Alejandra Palacios García

ASESOR: Dra. María Teresa Alarcón Herrera

CHIHUAHUA, CHIHUAHUA

Octubre 2013

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CONTENIDO Índice de tablas .................................................................................................................................................. 4 Índice de ilustraciones ........................................................................................................................................ 5 Índice de gráficos................................................................................................................................................ 6 Resumen ............................................................................................................................................................. 7 1. Introducción ................................................................................................................................................... 8 2. Marco Teórico .............................................................................................................................................. 10 2.1. Biodiésel. ............................................................................................................................................... 10 2.1.1 Ventajas y desventajas .................................................................................................................... 10 2.1.2 Fuentes de obtención del biodiésel ................................................................................................. 11 2.1.3. Tipos de Biodiésel ........................................................................................................................... 12 2.1.4. Producción de biodiesel en el mundo. ........................................................................................... 13 2.2. Biodiésel a partir de microalgas. ........................................................................................................... 23 2.2.1. Aspectos Generales sobre Microalgas ............................................................................................ 25 2.2.2. Métodos de Cultivos de microalgas. .............................................................................................. 27 2.2.3. Fases en la producción de Biodiésel .............................................................................................. 28 2.2.4. Situación actual del biodiésel a partir de microalgas .................................................................... 34 2.2.5. Limitantes de la producción de Biodiésel a partir de microalgas ................................................... 34 3. Hipótesis ....................................................................................................................................................... 36 4. Objetivos....................................................................................................................................................... 36 4.1. Objetivo general .................................................................................................................................... 36 4.2 Objetivos Específicos .............................................................................................................................. 36 5. Metodología ................................................................................................................................................. 37 5.1 Revisión y análisis de las diferentes microalgas usadas para la producción de biodiésel. ..................... 37 5.2 Análisis de ciclo de vida de la producción de biodiésel. ......................................................................... 42 5.2.1 Cultivo de microalga. ....................................................................................................................... 43 5.2.2 Cosecha de microalgas. ................................................................................................................... 45 5.2.3 Secado de la biomasa ...................................................................................................................... 46 5.2.4 Extracción de aceite......................................................................................................................... 48 5.2.5 Transesterificación .......................................................................................................................... 50 5.3 Análisis y consideración de variables para la producción de biodiésel que intervienen en los siguientes objetivos específicos..................................................................................................................................... 51 5.4 Análisis del cálculo de la huella hídrica del proceso de producción de biodiésel. ................................. 55 Paso 1. ...................................................................................................................................................... 56 2

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Paso 2. ...................................................................................................................................................... 56 Paso 3 y 4. ................................................................................................................................................. 57 5.5 Análisis teórico de ciclo de vida de los residuos que se obtienen en la producción de biodiesel. ......... 58 5.6 Identificar los puntos críticos en las etapas de producción de lípidos y posibles alternativas de mejora. ...................................................................................................................................................................... 60 5.7 Evaluación teórica de los costos. ............................................................................................................ 66 5.7.1 Análisis Económico del proyecto ..................................................................................................... 67 5.8 Proponer una alternativa de uso de los residuos para dar valor agregado al proceso. ......................... 68 6. Resultados y Discusión ................................................................................................................................. 70 7. Conclusiones ................................................................................................................................................. 86 8. Recomendaciones ........................................................................................................................................ 87 9. Referencias ................................................................................................................................................... 87 10. Anexos ........................................................................................................................................................ 95 Anexo 10.1. Reporte de la SAGARPA del consumo de diésel agropecuario 2011. Periodo 01/2011-05/2011. ...................................................................................................................................................................... 95 Anexo 10.2. Normatividad vigente de diésel y biodiésel.............................................................................. 96 Anexo 10.3. Método Guillard Para el cultivo de microalgas. ....................................................................... 97

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Principales materias primas para la producción de biodiesel. ............................................................ 12 Tabla 2. Principales países productores de aceite vegetal. .............................................................................. 14 Tabla 3. Conversión de aceite a biodiesel. ....................................................................................................... 15 Tabla 4. Argentina. Rendimiento potencial de biodiesel por ha, dependiendo de la materia prima. ............. 16 Tabla 5. Brasil. Costo de producción de biodiesel por Estado de acuerdo con la materia prima agrícola con arrendamiento en planta de 40mil toneladas por año. ................................................................................... 17 Tabla 6. E.U.A. Costo de producción de biodiesel de acuerdo con la materia prima. ..................................... 18 Tabla 7. México. Instituciones, sus proyectos e investigaciones. ..................................................................... 20 Tabla 8. Clasificación de las microalgas. ........................................................................................................... 24 Tabla 9. Contenido de aceite de algunas especies de microalgas .................................................................... 26 Tabla 10. Rendimiento del catalizador.+ ......................................................................................................... 31 Tabla 11. Comparación de distintas fuentes de materia prima para la producción de biodiesel en México. Se indican las proporciones de suelo fértil y de superficie total del país necesarias para reemplazar con biodiesel el 100% de la demanda de petrodiésel en México. Las fracciones de superficie total sólo se señalan para materias primas que no precisan de suelos fértiles. ................................................................................ 33 Tabla 12. Comparación de microalgas usadas para la producción de biodiésel. ............................................. 37 Tabla 13. Comparación de microalgas en lo referente a producción de lípidos. ............................................. 38 Tabla 14. Tabla comparativa para una adecuada selección de la microalga. ................................................... 40 Tabla 15. Comparación de los métodos de cultivo de microalgas. .................................................................. 43 Tabla 16. Características de los dos métodos utilizados para el cultivo de microalgas. .................................. 44 Tabla 17. Metodología de separación de agua de la biomasa. ........................................................................ 45 Tabla 18. Comparación de los métodos utilizados para la cosecha de microalgas. ......................................... 45 Tabla 19. Comparación de métodos para el secado de biomasa microalgal para Chlorella vulgaris. .............. 47 Tabla 20. Metodologías usadas para la extracción de aceite microalgal. ........................................................ 49 Tabla 21.Composición (%) de los ácidos grasos de la fracción lipídica extraída de Chlorella vulgaris después de siete días de cultivo en el medio de control. ............................................................................................... 52 Tabla 22. Datos y suposiciones del proceso de producción de biodiésel. ........................................................ 53 Tabla 23. Datos recolectados para el CÁLCULO de la huella hidrica. ............................................................... 56 3 Tabla 24. Calculo de huella hídrica por etapa en m ....................................................................................... 57 Tabla 25. Principales usos de los subproductos ............................................................................................... 59 Tabla 26. Composición (%) de los ácidos grasos de la fracción lipídica extraída de Chlorella vulgaris después de siete días de cultivo en el medio de control. (Jaramillo, 2011) ................................................................... 69 Tabla 27. Huella hídrica de diferentes materias primas y su método de cálculo. ............................................ 71 Tabla 28. Potencia requerida para el CÁLCULO de el costo de energía para la produccion de biodiésel. ....... 74 Tabla 29. Costos de inversión de la producción de biodiésel ........................................................................... 75 Tabla 30. Datos para el CÁLCULO del análisis económico ................................................................................ 75 Tabla 31. Flujos de efectivo de la producción de biodiésel. ............................................................................. 77 Tabla 32. Flujos de efectivo de la producción de biodiésel usando secado convencional por spray. .............. 79 Tabla 33. Porcentaje de aumento de los costos de producción, energía e ingresos para el análisis de sensibilidad. ...................................................................................................................................................... 81 Tabla 34. Análisis de sensibilidad para todos los casos. .................................................................................. 82 Tabla 35. Ingresos de la producción de biodiésel ............................................................................................. 85 Tabla 36. Caracteristicas del biodiésel y del diésel según la normativa en America del norte. ....................... 96 Tabla 37. Método de cultivo Guillard ............................................................................................................... 97 4

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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Invernadero con cultivo de microalgas. ...................................................................................... 27 Ilustración 2. Esquema de un fotobiorreactor. ................................................................................................ 28 Ilustración 3.Esterificación de un ácido graso en ambiente ácido ................................................................... 30 Ilustración 4. Etapas del proceso de producción de biodiésel y las diferentes tecnologias utilizadas. ............ 42 Ilustración 5. Entradas y salidad del cultivo de microalgas. ............................................................................. 43 Ilustración 6. Entradas y salidas de la cosecha de micorlagas. ......................................................................... 45 Ilustración 7. Principales entradas y salidas del secado de la biomasa microalgal. ......................................... 47 Ilustración 8. Entradas y salidad de la extraccion de aceite microalgal. .......................................................... 49 Ilustración 9. Principales entradas y salidas de la transesterificación. ............................................................. 51 Ilustración 10. Proceso de Transesterificación. ................................................................................................ 51 Ilustración 11. Metodologia para el calculo de huella hidríca. ......................................................................... 55 Ilustración 12. Principales subproductos de la producción de biodiésel. ........................................................ 58 Ilustración 13.Clasificación de los tipos de secado solar. ................................................................................. 62 Ilustración 14. Secado solar por convección forzada ....................................................................................... 62 Ilustración 15. Metodología para el modelado y simulación de un secador solar por convección forzada..... 64 Ilustración 16. Proceso de secado .................................................................................................................... 65 Ilustración 17. Metodología para la evaluación teórica de los costos. ............................................................ 67 Ilustración 18. Metodología de calculo de huella de agua por Farell, 2013. .................................................... 73

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ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1. Producción actual y capacidad de producción de biodiesel en el mundo, en el período 2002–2008. .......................................................................................................................................................................... 14 Gráfico 2.Costos de producción de biodiesel. .................................................................................................. 19 Gráfico 3. Comparación de estudios de la demanda de energía para las etapas de producción de biodiesel por varios autores ............................................................................................................................................ 61 Gráfico 4. Flujos de efectivo de la producción de biodiésel utilizando secado solar por convección forzada. 78 Gráfico 5. FLujos de efectivo para la producción de biodiésel utilizando secado convencional por spray. ..... 80 Gráfico 6. Comparación de flujos de efectivo de la producción de biodiésel con dos diferentes tipos de secado. ............................................................................................................................................................. 80 Gráfico 7. Análisis de sensibilidad caso 1. ........................................................................................................ 83 Gráfico 8. Análisis de sensibilidad caso 2. ........................................................................................................ 83 Gráfico 9. Análisis de sensibilidad caso 3. ........................................................................................................ 84 Gráfico 10. Análisis de sensibilidad Caso 4. ...................................................................................................... 84 Gráfico 11. Análisis de sensibilidad caso 5. ...................................................................................................... 85

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RESUMEN En la actualidad se ha detectado el uso de lípidos microalgales para la producción de biodiésel. Esta tecnología es prometedora dadas las ventajas que ofrece en contraste con las plantas oleaginosas. En este nuevo campo de obtención de energía primaria, existe como en la mayoría, una serie de barreras técnicas, económicas y regulatorias que deben ser solventadas para lograr el desarrollo de una industria a gran escala basada en los biocombustibles de origen renovable. En presente trabajo se hace una revisión de la situación del biodiésel en el mundo. Se revisan las diferentes materias primas para la síntesis de biodiesel y se enfatiza en la producción de éste a partir de microalgas. Mediante la comparación de diferentes microalgas de agua dulce y salada en cuanto a su contenido lipídico y productividad. Desde la antigüedad las microalgas se han usado como alimento humano, es hasta ahora que han atraído la atención para la investigación de su potencial biotecnológico. El atractivo de las microalgas fue encausado hacia otras aplicaciones tales como la acuacultura, el tratamiento de aguas residuales, la obtención de sustancias químicas finas, la producción de farmacéuticos y los procesos de bioconversión energética. La producción de bioenergía a partir de microalgas fue contemplada desde los años cincuenta, sin embargo a partir de la crisis energética de 1975, el potencial económico de esta tecnología fue reconocido por varios países como EUA, Japón y Australia. Se revisa el proceso de biosíntesis de los lípidos y como se puede mejorar su producción de lípidos en estas. También se hace un estudio de las ventajas y desventajas de los diferentes sistemas de cultivo de microalgas y cada una de las etapas de producción de biodiésel. Se propone un panorama de una planta piloto de 20,000 kg de biomasa diaria que entra al proceso de producción de biodiésel. Además de que se hace un análisis del cálculo de la huella hídrica (volumen total de agua usado para producir bienes y servicios) del proceso de producción de biodiésel. Finalmente se presenta una perspectiva del biodiésel a partir de las microalgas. Entre los principales retos a vencer para producir biodiesel están: El costo de producción de biomasa, que involucra la optimización de medios, selección y manipulación de cepas. También se debe considero el proceso de separación de biomasa, la extracción de aceites y subproductos, la optimización del proceso de transesterificación, purificación y uso de subproductos.

Palabras clave: biodésel, microalgas, producción, ciclo de vida, subproductos, costos.

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1. INTRODUCCIÓN La extracción y uso de combustibles fósiles ha generado grandes emisiones de gases, las cuales han afectado la capa de ozono. Estas emisiones han contribuido de forma directa a incrementar el efecto invernadero y a acelerar los cambios climáticos. Se ha especulado que existe la posible extinción de las reservas fósiles por lo que se ha concentrado la atención en combustibles que tengan un efecto menos contaminante en el ambiente y que sean capaces de sustituir a las actuales fuentes de energía de una manera eficiente y a largo plazo (Castro et al., 2007). El aprovechamiento de productos naturales o residuos vegetales para generar energía es cada vez más común. Uno de los usos del aprovechamiento de estos recursos es para producir combustibles biodegradables renovables como el biodiesel. Sin embargo, su precio en promedio en el mercado es el doble del precio del diésel fósil (Balat y Balat, 2008; Canakci y Sanli, 2008). En forma adicional, algunos estudios como el propuesto por Haas et al. (2006) determinaron que la materia prima representa aproximadamente entre 75% y 88% del costo total de producción de este biocombustible por lo que es imperativo reducir estos costos para obtener un producto competitivo en el mercado. Las materias primas que se usan para la producción de biodiesel deben ser evaluadas con el propósito de beneficiar a la sociedad, sobre la base de un completo análisis del ciclo vital que incluye, entre otros factores, sus efectos sobre el suministro de energía neta, las emisiones de gases de efecto invernadero, el carbono del suelo y fertilidad, el agua, la calidad del aire y la biodiversidad (Sims et al., 2010). Sims et al. (2010) informaron que los biocombustibles de primera generación, como el biodiesel de maíz, han sido ampliamente producidos. Sin embargo, la producción en masa de primera generación de biocarburantes líquidos ha dado lugar a una serie de problemas relacionados con los alimentos, el uso de la tierra, y las emisiones de carbono. Zhang et al. (2010) definieron que los biocombustibles como el biodiesel a partir de microalgas son una opción atractiva. Esto se explica por una alta tasa de crecimiento de microalgas [tiempo de duplicación celular de días 1-10 (Schenk et al., 2008)], alto contenido de lípidos [más de 50% en peso seco de células (Hu et al., 2008)], el uso de la tierra más pequeño [15-300 veces más producción de aceite de cultivos convencionales sobre una base por zona (Li et al., 2010)], y alta absorción de dióxido de carbono (CO2) (Jorquera et al., 2010). Dadas estas ventajas, los biocombustibles a partir de microalgas han sido reconocidos como la tercera generación de energía de la biomasa (Gressel, 2008). La producción de bioenergía a partir de microalgas fue contemplada desde los años cincuenta del siglo paso, y se acentuó después de la crisis energética de 1975. El potencial económico de esta tecnología fue reconocido por varios países como Estados Unidos de América, Japón y Australia (Sill et al., 2013). El análisis de ciclo de vida permite evaluar los impactos potenciales a lo largo del ciclo de vida de un producto, de un proceso o de una actividad a evaluar. Este tipo de estudios se basan principalmente en modelos o datos de laboratorio. No obstante, la mayoría de los datos son 8

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 suposiciones o se refieren a un sistema hipotético basado en extrapolaciones de estudios a escala de laboratorio (Yang et al., 2011; Batan et al., 2010; Collet et al., 2011). Este tipo de análisis señalan la necesidad de recuperar el contenido de energía del residuo después de la extracción de los lípidos de las microalgas (Lardon et al., 2009), que puede ayudar en la reducción de los costos de producción de biodiesel, así como la emisión de carbono (Harun et al., 2011). El objetivo de este estudio será analizar el ciclo de vida de la producción de biodiesel y su factibilidad económica, mediante el uso de microalgas como materia prima. De esta manera, se podrán proponer alternativas viables y económicamente factibles para que pueda competir con el diésel mineral. Se espera que este análisis dé una clara dirección y guía para investigadores, gobiernos, agencias de protección ambiental y comerciantes en la industria de los biocombustibles de microalgas para ser más viable y rentable.

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2. MARCO TEÓRICO 2.1. BIODIÉSEL. El biodiésel es un novedoso combustible sustituto del gasoil, de origen vegetal, por lo tanto nofósil y renovable, que mejora la lubricidad de los motores, los que a su vez no necesitan adaptación alguna, reduce en más del setenta por ciento (70%) las emisiones de dióxido de carbono, cumple por lo tanto con las pautas que sobre contaminación que se acordaron en el Protocolo de Kyoto, que establece que 37 países industrializados y la Unión Europea debe reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global (Clarimón, 2007). La materia prima para la producción de biodiesel son los triglicéridos (TAG), también llamados aceites. Los TAG son moléculas formadas por tres moléculas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol mediante enlaces ésteres. El procedimiento más usualmente aplicado para la producción de biodiesel consiste en tres etapas. En primer lugar, se debe extraer el aceite a partir de la semilla y refinarlo. El refino del aceite bruto (mediante desgomado, filtración, neutralización y secado) permite reducir el grado de acidez y de humedad. En segundo lugar, se procede a la transesterificación con el objetivo de reducir la alta viscosidad del aceite, y obtener un producto que se acerque lo más posible a las características del diésel. La transesterificación consiste en una reacción que se reitera tres veces, y en la cual se mezcla una cantidad de aceite con una cantidad de alcohol (metanol o etanol) equivalente al 10% del aceite y con un catalizador. Los catalizadores más usuales son hidróxidos de metales alcalinos y ácidos como el ácido sulfúrico concentrado. Los subproductos obtenidos son: ésteres, compuestos del aceite que no llegó a reaccionar, el catalizador, metanol, glicerina, jabón y agua. La tercera etapa consiste en separarlos y purificarlos para finalmente obtener biodiesel y glicerina (Remschmidt, 2006). El biodiesel se diferencia técnicamente del gasoil convencional, en que es un combustible obtenido mediante un proceso sustentable a partir de materias primas renovables, mientras que los derivados del petróleo dependen de reservorios fósiles. Como sus propiedades son similares al combustible diésel de petróleo, se pueden mezclar ambos en cualquier proporción, sin ningún tipo de problema. Al porcentaje de biodiesel puro que se encuentra en el combustible, se le denomina porcentaje de biomasicidad. Así, el biodiesel B30 tiene un 30% de ésteres grasos y un 70% de diésel petrolífero. El biodiesel B100 sólo contiene ésteres grasos. La EPA (United States Environmental Protection Agengy), lo tiene registrado para utilización como combustible puro (B100), como mezcla-base (B20), o como aditivo de combustibles derivados del petróleo en proporciones del 1 al 5% (López, 2007).

2.1.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS Es importante y necesario cuando se estudia una alternativa novedosa estudiar las ventajas y desventajas en este caso del biodiesel.

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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 2.1.1.1 V ENTAJAS o o o o o

Se puede obtener a través de fuentes renovables, así como de aceites reciclados. El uso de biodiesel permite reducir emisiones contaminantes como es el caso del monóxido de carbono, hidrocarburos, así como partículas. Tiene mayor lubricidad y por tanto permite alargar la vida del motor y reducir su ruido. El biodiesel es no tóxico y se degrada 4 veces más rápido que el diésel de petróleo. Mayor poder disolvente, que hace que no se produzcan depósitos de carbón en los conductos internos del motor y por tanto permite mantener limpio el interior de este. Asimismo mantiene limpios los inyectores (Carrere, 2007).

2.1.1.2 D ESVENTAJAS o o o o

o o

Las emisiones de óxidos de nitrógeno generalmente se incrementan debido a al incremento de presión y temperatura en la cámara de combustión. La potencia del motor disminuye y el consumo de combustible se incrementa debido a que el poder calorífico de este bioenergético es menor que el del diésel de origen fósil. Al ser el biodiesel un mejor solvente ataca toda aquella pieza construida a partir de caucho o goma, por ejemplo las mangueras y juntas de motor. El biodiesel es una alternativa tecnológica factible al diésel, pero actualmente el costo es 1.5-3 veces más costoso que el diésel en países desarrollados. La competitividad del biodiesel depende de las políticas que hagan los gobiernos, tales como subsidios y exención de impuestos, porque sin estas ayudas no es factible económicamente. No se puede almacenar por mucho tiempo, más de 21 días, debido a que se degrada El empleo de mezclas con más de 30% de biodiesel puede presentar problemas de solidificación en frío, lo que obstruiría el sistema de alimentación del motor de combustión. (FRAMES, 2007).

2.1.2 FUENTES DE OBTENCIÓN DEL BIODIÉSEL Entre las principales materias primas para la elaboración de biodiesel se puede mencionar: o o

o

Aceites vegetales convencionales: Estos han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol, la colza, la soja y el coco. Aceites vegetales alternativos: En la mayoría de los países se están haciendo estudios con el fin de encontrar cultivos específicos nuevos que se adapten mejor a las condiciones particulares de los suelos y, a su vez, presenten buenas propiedades para su aprovechamiento por parte del sector energético. En estas especies destacan la Camelina sativa, Caribe abyssinica y Cynara cardunculus. La Cynara cardunculus es un cultivo plurianual y permanente, con una ocupación del terreno de alrededor de diez años. El cultivo de dichas especies está orientado fundamentalmente para fines energéticos, no alimentarios. Aceites vegetales modificados genéticamente: Los aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en ácidos grasos. Los aceites con proporciones altas de ácidos grasos insaturados disminuyen su estabilidad a la oxidación, ocasionando un mayor 11

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o o o

índice de yodo. Por lo tanto, los aceites con elevado contenido de instauraciones pueden ser modificados genéticamente para reducir esta proporción. Un ejemplo es el aceite de girasol de alto oleico. Aceites de fritura usados: Esta constituye la materia prima más barata, y con su utilización se evitan los costos de tratamiento como residuo. Grasas animales: como por ejemplo el sebo de vaca. Aceites de otras fuentes: en la actualidad se ha desarrollado una producción de lípidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas, microalgas, bacterias y hongos (Laborda, 2007). TABLA 1. PRINCIPALES MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL.

Aceites Convencionales Girasol

Aceites Vegetales Alternativos Brassica carinata

Otras fuentes

Colza

Cynara curdunculus

Aceite de semillas modificadas genéticamente Grasas animales (sebo de vaca y búfalo)

Coco Soja Palma

Camelina sativa Crambe abyssinica Pogianus

Aceites de micoralgas Aceite de producciones microbianas Aceites de fritura

Fuente: (Laborda, 2007)

2.1.3. TIPOS DE BIODIÉSEL 2.1.3.1. B IODIÉSEL DE PRIMERA GENERACIÓN El biodiesel de primera generación se puede obtener a partir de aceites vegetales procedentes de semillas oleaginosas de una gran variedad de plantas: soja, colza, girasol, palma, etc. Algunos de estos aceites pueden quemarse directamente en motores diésel, pero su uso continuado hace que, debido a su combustión algo incompleto y su alta viscosidad, puedan provocar obstrucciones en los inyectores. Para rebajar la viscosidad se somete a los aceites a un proceso de hidrólisis, con lo cual obtienen ácidos grasos y glicerina. Los procesos utilizados para obtener biodiesel de primera generación utilizan generalmente metanol como alcohol, aunque también se utiliza etanol, propanol o butanol; e hidróxido de sodio o potasio como catalizador. Estos insumos son comunes en el mercado local y su costo no es alto (Coronado et al., 2006). Esta tecnología permite producción a pequeña, mediana y gran escala, por lo tanto, los costos productivos dependerá del tamaño, del equipo y de la materia prima a utilizar. Los requerimientos tanto de temperatura como de presión del reactor en el que se lleva a cabo la esterificación no son exigentes, utilizándose una temperatura alrededor de 60°C y una presión de 1.4 bares (Sánchez, 2007).

2.1.3.2. B IODIÉSEL DE SEGUNDA GENERACIÓN

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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 El biodiesel de segunda generación, también conocido como biodiesel sintético o biodiesel avanzado, es un biocombustible líquido que se produce a partir de la biomasa lignocelulósica por medio de varios procesos termoquímicos. Esta tecnología permite utilizar una gran variedad de materia prima. Si se utiliza cultivos alimenticios o energéticos, los rendimientos son mayores que en el caso de la tecnología de primera generación, pues no utiliza ciertos procesos que se pueden llevar a cabo para la obtención de biodiesel, sino que se aprovecha toda. Esto hace que se requiera menos área cultivada por unidad producida (USDA, 2005). La tecnología de segunda generación produce un biodiesel de alta eficiencia y mucho más limpio que los otros tipos. Son básicamente libres de sulfuros y compuestos aromáticos, disminuyendo el problema de lluvias ácidas, así como riesgos de cáncer.

2.1.3.3. B IOCOMBUSTIBLES DE TERCERA GENERACIÓN La tecnología de tercera generación con la cual se obtiene hidrógeno, el cual se está empezando a utilizar más como biocombustible, permite utilizar diferentes fuentes de energía, entre las cuales se puede mencionar los combustibles fósiles, energías renovables y nucleares. La mayoría de los procesos utilizados son muy costosos y están en vías de investigación y desarrollo, lo cual no permite, por el momento, producir cantidades industriales de biocombustible. Actualmente, la producción de hidrógeno está muy ligada a los hidrocarburos, por lo tanto, no se soluciona el problema de la dependencia al petróleo. Otra opción de biodiesel de tercera generación es el biodiesel a partir de microalgas. Se ha reportado que diversos microorganismos tales como las levaduras: Cryptococcus curvatus, Cryptococcus albidus, Lipomyces lipofera, Lipomyces starkeyi, Rhodotorula glutinis, Rhodosporidium toruloides, Trichosporom pullulan y Yarrowia lipolytica y bacterias del grupo actinomicetos tales como Mycobacterium spp., Rhodococcus spp. y Nocardia spp., son capaces de sintetizar triglicéridos intracelulares, bajo ciertas condiciones de cultivo, hasta en un 80% de su peso seco utilizando diversas fuentes de carbono (azúcares, ácidos orgánicos, alcoholes y aceites entre otras) y diferentes subproductos y/o residuos industriales o agrícolas (suero de leche, hidrocarburos, aceites vegetales, melazas de caña de azúcar, salvado de trigo, desechos de frutas y verduras) (Maciel, 2009).

2.1.4. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL MUNDO. La producción mundial de biodiesel se mantuvo relativamente estable entre dos y tres millones de toneladas anuales hasta el 2004, y no es hasta el 2005, cuando la producción se dispara hasta alcanzar en el 2008 las 11,1 millones de toneladas. Con ello se registra una tasa anual de crecimiento de 37%4 para el período 2004-2008. Como se muestra en la gráfica 1.

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GRÁFICO 1. PRODUCCIÓN ACTUAL Y CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL MUNDO, EN EL PERÍODO 2002– 2008.

En la actualidad, la producción mundial de biodiesel se concentra en pocos países. Por ejemplo, del total durante el 2006, alrededor del 75% se produjo en Europa, donde Alemania contribuyó con el 55%, y la mayor parte del 25% restante fue producido por Estados Unidos de América. Estas cifras son muy dinámicas entre los países de América que reportan la producción de biodiesel a cierta escala comercial (como Canadá, Brasil y Argentina), mientras que la mayoría de los demás países informan una producción incipiente o en una escala de prueba. Aunque se puede producir biodiesel de cualquier aceite, las fuentes que han sido utilizadas hasta el presente son pocas. La producción de la Unión Europea (UE) proviene principalmente del aceite de colza y en menor medida del aceite de palma aceitera, mientras que la producción de los Estados Unidos proviene principalmente del aceite de soja. En términos potenciales, se puede decir que para los países de climas templados, la materia prima para la producción de biodiesel proviene del aceite de la colza y de soja, mientras que para los países subtropicales y tropicales, procede del aceite de la palma africana y otras oleaginosas (Agricultura, 2010). TABLA 2. PRINCIPALES PAÍSES PRODUCTORES DE ACEITE VEGETAL.

País

Porcentaje de la producción mundial (Promedio 2004-2008). Indonesia 16 Malasia 15 República Popular China 12 Unión Europea 11 Estados Unidos 8 14

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Argentina India Otros

6 6 26 Fuente: Agricultura, 2010.

Aunque potencialmente se pueden usar múltiples fuentes alternativas, casi la totalidad del biodiesel que se produce actualmente proviene de los aceites de origen vegetal y en particular de tres cultivos: la palma, la soja y la colza. Estos tres cultivos proveen el 75% de la oferta mundial de aceite. El restante 25% se origina en cultivos como maní, algodón, oliva y girasol. En lo que respecta al aceite de soja, su producción creció al mismo ritmo del 5% que la producción total de aceite, mientras que la producción de aceite de palma lo hizo a un ritmo más acelerado del 8% anual durante el mismo período, lo que provocó que a partir del 2005 el volumen anual producido de aceite de palma fuera superior al de soja. La producción de aceite de colza, por su parte, creció al 4% anual, un punto porcentual por debajo del ritmo de crecimiento de la producción total de aceite. Cada cultivo tiene diferentes capacidades de producción de aceite con sus ventajas y límites. La tabla 3 representa la capacidad de biodiesel de cada cultivo o materia prima (Agricultura, 2010). TABLA 3. CONVERSIÓN DE ACEITE A BIODIESEL.

Cultivo Conversión a biodiesel (L/ton) Sésamo 440 Girasol 418 Ricino 393 Colza 392 Mostaza 370 Maní 309 Aceite de palma 223 Soja 183 Cocotero 130 Algodón 103 Fuente: Agricultura, 2010.

2.1.4.1. P RODUCCIÓN DE BIODIESEL EN A MÉRICA L ATINA . Las perspectivas de producción de biodiesel han motivado a instituciones y empresas en muchos países, que consideran que esa alternativa energética podrá consolidarse como un biocombustible ampliamente adoptado por el mercado. Especialmente en América Latina, contribuye a esta visión la amplia disponibilidad de cultivos oleaginosos y el impacto del alza de precios de los combustibles derivados del petróleo, generalmente importados. Siguiendo esto se presentan algunos de los principales productores de biodiesel en esta región. Argentina, uno de los más importantes productores mundiales de semillas oleaginosas, lanzo recientemente un programa para estimular la producción y utilización de ese biocombustible, con plazo de metas definidas 15

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 para la mezcla obligatoria. La soja y el girasol ocupan grandes extensiones de tierra de buena productividad y la industria aceitera argentina es estructuralmente exportadora, destinando al mercado mundial alrededor del 90% de su producción, con una capacidad instalada para procesar 1500 miles de toneladas al día. En el 2004 se lanzó el Programa Nacional de Biocombustibles, resaltando las expectativas del biodiesel y promoviendo la articulación institucional orientada a reforzar la investigación y desarrollo de inversiones. Según los estudios apuntan al cumplimiento de la meta, en el 2012 la demanda de diésel en Argentina deberá estar cerca de 13.7 millones de m3, lo que implica una demanda de 685 millones de litros de biodiesel, cerca de 600 millones de toneladas de ese biocombustible, resultantes del procesamiento anual de 3.5 millones de toneladas de granos (9% de la producción argentina), cosechadas en cerca de 1300 mil hectáreas de soja. Con una relación a las inversiones, considerando una inversión de 8 millones de dólares para una unidad agroindustrial con capacidad de 40000 toneladas por año del biodiesel, serían necesarias 18 plantas, correspondientes a una inversión industrial de 144 millones de dólares. (Secretaría de Agricultura, 2006). TABLA 4. ARGENTINA. RENDIMIENTO POTENCIAL DE BIODIESEL POR HA, DEPENDIENDO DE LA MATERIA PRIMA.

Cultivo

Rendimiento (kg/ha)1

Porcentaje de aceite en semilla2

Rendimiento (kg de aceite/ha)

Jatropha Ricino Girasol Colza Soja Cártamo

4000 2300 1960 1760 2970 1060

30 45 45 40 18 35

1200 1035 882 704 535 371

Aceite L/ha (0.93 Kg/L) 1290 1113 948 757 575 399

L/ha

Biodiésel ATS/ha

0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96

1239 1068 910 727 552 383

1. En los casos de girasol, colza, soja y cártamo, se consideró el máximo registro histórico de rendimiento a nivel nacional. En los casos de jatropha y ricino, se consideraron estimaciones del Programa Nacional de Biocombustibles. 2. Estimaciones del Programa Nacional de Biocombustibles.

Fuente: (Secretaría de Agricultura, 2006) Desde 1920 surgieron iniciativas para promover en Brasil el empleo de aceites vegetales en motores diésel, con resultados limitados. Los programas más importantes, propuestos casi simultáneamente con la adopción del bioetanol, fueron el Pro-óleo y el Programa OVEG en 1980, igualmente sin avances. En 2002 el tema fue retomado y se constituyó la “Rede de Pesquisa e Desenvolvimiento Tecnológico” (PROBIODIESEL), coordinada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, que empezó a articular intereses y discutir la especificación del biodiesel para Brasil. Su demanda de diésel es de aproximadamente 36 millones de m3 por año; cerca de 10% de ese volumen es importado y se utiliza en el sector transporte y la generación eléctrica de la Amazonia (Coviello, 2008).

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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 TABLA 5. BRASIL. COSTO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL POR ESTADO DE ACUERDO CON LA MATERIA PRIMA AGRÍCOLA CON ARRENDAMIENTO EN PLANTA DE 40MIL TONELADAS POR AÑO.

Región 1 2 3 4 5

Estado

Cultivo Costo (USD$/litro) Soja 1.167 Pará Palma aceitera 1.231 Soja 1.670 Bahía Mamona 1.585 Soja 1.247 Sao Pablo Maní 1.610 Soja 0.883 Rio Grande do Sul Girasol 1.649 Girasol 1.034 Mato Grosso Carozo de algodón 0.975 Fuente: Banco Central en Brasil.

En Colombia, se estima que para introducir el 10% de biodiesel en el mercado colombiano se necesitan cerca de 300 mil toneladas anuales de aceite de palma, cifra cercana al 50% de la actual producción nacional, requiriéndose cerca de 100 mil hectáreas cultivadas en palma africana y generando más de 100 mil empleos entre directos e indirectos. La industria de Biodiésel en Canadá es aún marginal, con una capacidad instalada en el 2007 de 97 millones de litros por año. La situación de industria marginal se debe principalmente al limitado número de plantas de producción, a la disponibilidad de materia prima para ser usada como insumo para Biodiésel y a aspectos concernientes a la adaptabilidad del Biodiésel a clima frío. Sin embargo, con las nuevas plantas actualmente en construcción y otras que podrían ser construidas en los próximos cinco años, la expectativa de la industria canadiense alcanzaría la meta establecida de 500 millones de litros de Biodiésel por año, para el 2010. (Banks, 2007) Estados Unidos es el tercer país productor de Biodiésel del mundo y el principal productor en América. Su producción llegó en el 2007 a 1,7 billones de litros. La producción de Biodiésel ha crecido en los últimos cuatro años (2004 – 2007) a una vigorosa tasa media de cambio de 162,1%, crecimiento que muestra el sostenido desarrollo de esta industria. Estados Unidos consume internamente toda su producción. Para agosto del 2007, existían 750 estaciones donde se vendía Biodiésel. Carolina del Norte, Carolina del Sur, Texas y Missouri son los cuatro estados con mayor número de gasolineras que venden Biodiésel. El precio promedio del diésel era de US$0,782 / litro ($2,96/galón) mientras que el del Biodiésel B100, se situaba alrededor de los US$0,864 / litro ($3.27/galón) para un diferencial de US$0,082 / litro ($0.31/galón). Sin embrago, cuando se expresa en término equivalente de energía, esta diferencia se incrementa a US$0,150 / litro ($0,57/galón) (Agricultura, 2010, págs. 297-300).

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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

TABLA 6. E.U.A. COSTO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE ACUERDO CON LA MATERIA PRIMA.

Fuente Costo de producción biodiesel ($/litro) Aceite de soya 0.787 Grasas Amarillas 0.441 Fuente: University of Tennessees Bio-Based Energy Analysis Group, 2010. Así muchos más países compiten para la producción de biodiesel, que puede constituirse en un efectivo sustituto del diésel derivado del petróleo, pero debe comprobar todavía su factibilidad real, sobre todo en términos de balance energético y productividad. La experiencia europea con biodiesel se basa en políticas agrícolas difícilmente replicables en la región, con altos niveles de subsidios y barreras aduanales elevadas.

2.1.4.2. P RODUCCIÓN DE BIODIÉSEL EN M ÉXICO . La Secretaría de Energía (SENER) ha comenzado a evaluar la posibilidad de desarrollar un programa de fomento al uso de biocombustibles como fuente de energía renovable, de manera que contribuyan a la diversificación del abasto de energéticos y a la reducción del consumo de carburantes fósiles, responsables de la generación de emisiones de gases con efecto invernadero. La intención es fomentar el uso de distintos biocombustibles líquidos, en especial el Biodiésel y el bioetanol, elaborado a partir del bagazo de la cosecha de la caña de azúcar o del maíz. Previo al diseño de un programa de fomento, se han realizado estudios de factibilidad necesarios para analizar el mercado nacional de los posibles insumos, así como la demanda potencial de dichos combustibles. Como resultado de estos estudios, se ha determinado que la producción de Biodiésel a escala comercial puede ser factible en México en el mediano plazo, de realizar acciones integrales que deben incluir aspectos técnicos, económicos y medioambientales, de concertación con el sector agrario y agroindustrial así como un esfuerzo importante en investigación y desarrollo tecnológico (SENER, 2006). Para llegar a sustituir un 5% del diésel de petróleo en el país será necesario instalar 10 plantas industriales con capacidad de 100.000 t/año cada una o más de 140 plantas pequeñas con capacidad de 5,000 t/año cada una. Para optimizar el suministro de los cultivos agrícolas, y reducir el costo de distribución de biodiesel y sus subproductos, las plantas de producción deben instalarse en las cercanías de refinerías o de las plantas productores de aceites vegetales. Desde el punto de vista logístico, la mejor opción son plantas integradas de producción de aceites vegetales y biodiesel. Las inversiones estimadas para llegar al escenario de 5% de biodiesel alcanzan $3,100 millones de pesos, puesto que cada planta industrial de gran escala tiene un costo unitario de $311 millones de pesos. Aunque la producción de biodiesel estaría orientada al mercado nacional, el combustible podría también exportarse ocasionalmente a otros mercados como Europa o los Estados Unidos. Las ventajas de un programa nacional de biodiesel serían muy importantes. Desde el punto de vista ambiental, la sustitución de diésel de petróleo por biodiesel permitiría ahorrar alrededor de 1.7 millones de toneladas de CO2/año hacia el año 2010 y 7.5 millones de 18

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 toneladas de CO2/año hacia el 2014 (SENER, 2006). Los principales problemas a los que se enfrenta el biodiesel en México se encuentran en el sector agrícola. Es así que se tendría que establecer un gran apoyo a la agricultura mexicana para lograr mantenerla para el suministro de los insumos necesarios.

C OSTOS DE PRODUCCIÓN EN M ÉXICO . Los costos de producción del Biodiésel en 2011, tuvieron un rango de entre $5.30 a $12.40 pesos por litro equivalente, en función de la materia prima utilizada en el proceso productivo. Como se muestra en la gráfica 2:

GRÁFICO 2.COSTOS DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL.

Fuente: (SAGARPA, 2011) Como puede observarse, el costo de producción del biodiesel es más alto que el del diésel PEMEX. Hay que tener en cuenta que los resultados para la jatropha tienen un alto grado de incertidumbre, puesto que la planta no se cultiva comercialmente en México. Además, el precio de las materias primas es el componente del costo de mayor importancia, ya que contribuye con una proporción que va del 59% al 91% del costo total. Los cultivos más competitivos son la palma, girasol y soya. La jatropha es promisoria pero debe resolver el problema de posibles toxinas en la glicerina y otros subproductos generados en el proceso. Los costos de los insumos agrícolas representan entre el 59% y 91% de los costos de producción del Biodiésel. En muchos casos, como la soya, estos costos dependen en gran medida de la posibilidad de vender los subproductos agrícolas (SAGARPA, 2011).

19

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Sin embargo, la industria aceitera en México depende en gran medida de las importaciones de oleaginosas para elaborar sus productos; a partir de esto, produce aceites que son utilizados por las industrias de alimentos y finalmente se distribuyen al consumidor final. El país importa anualmente un poco más de 5 millones de litros de aceite vegetal, y la importación creció durante el período comprendido entre 2003-2004 y 2007/2008 a un ritmo anual de 1,8%. (SENER, 2006)

2.1.4.3. I NVESTIGACIONES EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL EN M ÉXICO . En México existen muchas instituciones dedicadas a la investigación y desarrollo con temas relacionados con el biodiesel y cultivos oleaginosos, por mencionar algunas se encuentran:     

Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) (www.inifap.gob.mx). La Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (www.uaaan.mx). La Universidad Autónoma Chapingo (www.chapingo.mx). La Secretaría de Agricultura Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (www.sagarpa.gob.mx). Y en los últimos años se encuentra en estos rubros la organización “Aeropuertos y Servicios Auxiliares (ASA)” y empresas chiapanecas.

En la siguiente tabla se listan algunas instituciones y proyectos relacionados con la producción de Biodiésel. También existen múltiples emprendimientos privados que buscan inversionistas para la producción de Biodiésel con base en cultivos alternativos como la jojoba y la Jatropha. TABLA 7. MÉXICO. INSTITUCIONES, SUS PROYECTOS E INVESTIGACIONES.

Institución o empresa

Universidad Autónoma de Chiapas

SENER (Secretaria de Energía de México)

Universidad Vasconcelos, Oaxaca

20

Descripción del proyecto Se describe un tipo de combustible que no produce contaminantes, tiene un costo muy económico y un alto rendimiento. Noviembre 2006. Viabilidad del uso de bioetanol y Biodiésel para el transporte en México, D.F. Noviembre 2006. Primer batch (tubería de refinación) y cuatro días después se produjeron los primeros 155 litros de Biodiésel en México, con materia prima que se

Fuente

Obtenido de: http://www.teorema.com.mx/ cienciaytecnologia/producen-biodiesel-condesperdicios-de-cocina-en-mexico/ Consultado: 29 de noviembre de 2011.

Obtenido de: http://www.bioenergeticos.gob.mx Consultado: 30 de noviembre de 2011.

Obtenido de: http://www.jornada.unam.mx /2005/08/01/004n1sec.html Consultado: 30 de noviembre de 2011.

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM)

Universidad Autónoma de Chapingo (UACh)

Gobierno federal (puerto de Chiapas)

Aeropuertos y Servicios Auxiliares 21

recolecta de restaurantes de la ciudad. Actualmente el Biodiésel está siendo probado en el autobús de la universidad en mezcla al 20%, sin que se haya presentado algún problema. Octubre 2004. Investigadores de la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM) lograron la adaptación de cinco variedades de la planta higuerilla de la que se extrae el aceite de ricino, que puede emplearse para la elaboración de Biodiésel como combustible para aviones. Agosto 2008. Desarrollan un biocombustible a partir de cultivo de piñón mexicano, higuerilla, sorgo dulce y remolacha azucarera. Estas plantas se producen en 18 estados del país. Marzo 2010. Programa mesoamericano. El proyecto busca desarrollar en la Región Mesoamericana esquemas de producción energética alternativa y descentralizada. Primer Centro de investigación y producción de biodiesel. Octubre 2010. Programa Plan de vuelo. Los objetivos más cercanos de este proyecto son cubrir con

Obtenido de: http://www.eluniversal.com.mx /ciudad/91327.html Consultado: 30 de noviembre 2011.

Obtenido de: http://biodiesel.com.ar Consultado: 30 noviembre 2011.

Obtenido de: http://biodiesel.com.ar/4425/programamesoamericano-de-biocombustibles Consultado: 30 de noviembre 2011.

Obtenido de: http://plandevuelo.asa.gob.mx/wb/pv/pv_03 Consultado: 30 de noviembre 2011.

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 (ASA)

biocombustible al menos el uno por ciento de la demanda nacional para el 2015, (40 millones de litros anuales) y el 15 por ciento para 2020, (más de 700 millones de litros). Julio 2011.

P LAN DE VUELO HACIA LOS BIOCOMBUSTIBLES . La aviación mexicana y empresas chiapanecas avanzan en sus proyectos para que en aproximadamente 4 años México consuma al menos 1% de biocombustible total del que se requiere en la industria aérea. Que significaría producir 40 millones de litros de bioturbosina cada año. En un estimado se espera que para el 2015, los aviones mexicanos consuman estos biocombustibles sustentables. Para lograr este objetivo el gobierno federal trabaja con el sector agropecuario y la iniciativa privada, en la investigación y desarrollo de biodiesel de segunda generación. Especialistas en el tema de los bionergéticos se reunieron al clausurar los trabajos del foro “Plan de vuelo hacia los Biocombustibles Sustentables en Aviación en México”, celebrado recientemente en Chiapas, visitaron la Planta Procesadora de Biodiesel ubicada en el Centro Demostrativo de la Secretaría del Campo, la cual produce dos mil litros diarios para abastecer las mezclas que utiliza el sistema de transporte urbano CONEJOBUS. El Programa Chiapas Bioenergético, consta de 8 huertos madres para la producción de semillas, con material genético de 41 municipios del estado, 7 viveros de piñón con capacidad de producir 15 millones de plantas, 12 viveros de palma africana con capacidad de producir 6 millones de plantas, 10 mil hectáreas de plantaciones en 166 localidades del estado y 33 técnicos profesionistas que brindan asistencia técnica a 3 mil productores. Especialistas destacaron que en los últimos años, Chiapas se ha convertido en punta de lanza para muchos proyectos, destacando la producción de biodiesel de alta calidad, el cual consta de procesos de investigación, tecnologías e intercambio de experiencias. Con estas aportaciones se deduce que Chiapas se colocará a nivel nacional como el líder en producción de bioturbosina. (ASA, 2011).

CONCLUSIONES EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN MÉXICO. La producción de biocombustibles continuará en incremento debido a diversos factores que la impulsan:    

Demanda mundial en constante crecimiento. Impulso al desarrollo regional. Seguridad energética (ahorro de petróleo). Contribución para reducir emisiones contaminantes.

22

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 México cuenta con diversidad genética, climática y edáfica para la producción sostenible y competitiva de especies bioenergéticas. Se dispone de especies que no compiten directamente con la producción de alimentos considerados en la dieta básica de México. De acuerdo con el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFIAP), existen zonas agrícolas para cultivar oleaginosas. Alrededor de 2,5 millones de hectáreas, con potencial para el cultivo de palma aceitera en Chiapas, Oaxaca, Campeche, Guerrero, Michoacán, Quintana Roo, Tabasco y Veracruz. Las regiones de buena lluvia para propósitos agrícolas coinciden en los siguientes estados: Tabasco, Veracruz, Jalisco, Nayarit, Morelos, Chiapas, Colima, Campeche, México. Las regiones donde la agricultura solamente es próspera por el riego, se encuentran en Baja California, Sonora, Sinaloa, Chihuahua, Coahuila, Durango, Tamaulipas, Guanajuato, Querétaro y Puebla. Además de otras alternativas que no han sido exploradas como los biocombustibles de tercera generación.

2.2. BIODIÉSEL A PARTIR DE MICROALGAS . Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes (cianobacterias) y eucariontes, que se localizan en hábitats diversos tales como aguas marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de temperaturas, pH y disponibilidad de nutrientes; se les considera responsables de la producción del 50% del oxígeno y de la fijación del 50% del carbono en el planeta. Su biodiversidad es enorme, se han identificado alrededor de 40,000 especies aunque se estima que existen más de 100,000 de las cuales con frecuencia se desconoce su composición bioquímica y metabolismo. Las microalgas se clasifican de acuerdo a varios parámetros tales como pigmentación, ciclo de vida, morfología y estructura celular. Las especies más estudiadas para aplicaciones biotecnológicas corresponden a las algas verdes y a las diatomeas. (Vázquez-Duhalt, 1991) Desde la antigüedad las microalgas se han usado como alimento humano, sin embargo es hasta ahora que han atraído la atención para la investigación de su potencial biotecnológico. El interés por las microalgas surgió en Alemania en los años cincuenta y sesenta al ser consideradas como una fuente abundante de proteína de bajo costo para la nutrición humana, interés que después se extendió a países de todos los continentes. El atractivo de las microalgas posteriormente fue encausado hacia otras aplicaciones tales como la acuacultura (cultivo de especies acuáticas vegetales y animales en medios naturales y artificiales), el tratamiento de aguas residuales, la obtención de sustancias químicas finas, la producción de farmacéuticos y los procesos de bioconversión energética. La producción de bioenergía a partir de microalgas fue contemplada desde los años cincuenta, sin embargo a partir de la crisis energética de 1975, el potencial económico de esta tecnología fue reconocido por varios países como EUA, Japón y Australia. (Vázquez-Duhalt, Aplicaciones biotecnológicas en el cultivo de microalgas., 1991). 23

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 En la tabla 8 se describen las principales divisiones en las cuales las microalgas han sido clasificadas de acuerdo a parámetros diversos tales como pigmentación, ciclo de vida, estructura celular, etc. TABLA 8. CLASIFICACIÓN DE LAS MICROALGAS.

Clase

Chlorophyta (algas verdes)

Bacillariophyta (diatomeas)

Heterokontophyta

Cianobacteria Otras divisiones

Características División conformada por una gran cantidad de especies, en particular por las que proliferan en ambientes dulceacuícolas. Pueden existir ya sea como células individuales o colonias. Su principal reserva de carbono es el almidón, sin embargo pueden almacenar lípidos bajo determinadas condiciones. En esta división destaca la clase Prasinophyceae, caracterizada por incluir especies que forman parte del ‘pico-plancton’. Las diatomeas predominan en aguas oceánicas, no obstante también se les puede encontrar en aguas dulces y residuales. Se caracterizan por contener silicio en sus paredes celulares. Almacenan carbono de maneras diversas, ya sea como aceites o como crisolaminarina (polímero glucídico). División constituida por una gran diversidad de clases dentro de las cuales destaca la Crysophyceae (algas doradas), conformada por especies similares a las diatomeas en términos de composición bioquímica y contenido de pigmentos. Las algas doradas se distinguen por los complejos pigmentos que las conforman, los cuales les proporcionan tonalidades amarillas, cafés o naranjas. Las especies de este grupo son principalmente de agua dulce. Sus reservas de carbono son los lípidos y los carbohidratos. Asimismo, otras clases relevantes de esta división son: Phaeophyceae (algas cafés), Xantophyceae (algas verde-amarillas), Eustigmatophyceae (forma parte del ‘pico-plancton’), entre otras. Las cianobacterias son microorganismos procariotes cuya estructura y organización son similares a las de las bacterias. Las cianobacterias desempeñan un papel relevante en la fijación del nitrógeno atmosférico. Rhodophyta (algas rojas), Dinophyta (dinoflagelados).

Fuente: (AlgaeBase, www.algaebase.org; Hu et al., 2008; Sheehan et al., 1998). En la actualidad se ha detectado el uso de lípidos microalgales para la producción de biodiesel. Esta tecnología es prometedora dadas las ventajas que ofrece en contraste con las plantas oleaginosas, tales como: mayor eficiencia fotosintética; eficacia superior en la asimilación de nutrientes; y periodos cortos de producción sostenida durante todo el año, a causa de los breves tiempos de duplicación de las microalgas. Los cultivos microalgales son independientes de la estacionalidad inherente a los cultivos agrícolas y de la fertilidad del suelo, condición que posibilita prescindir de herbicidas y pesticidas y además, permite emplear territorios marginales e inclusive zonas no aptas para la agricultura, ganadería, 24

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 industria y turismo. Asimismo, en contraste con los cultivos tradicionales, requieren de menores cantidades de agua y son flexibles ante el tipo y la calidad de ésta, por lo que prosperan convenientemente tanto en aguas marinas, como dulces, salobres y residuales. Igualmente, el contenido oleaginoso y el perfil de composición lipídica de las microalgas, puede ser controlado en función de las condiciones de cultivo, principalmente mediante la limitación de nutrientes. Además, esta tecnología puede ser acoplada al reciclaje del CO2 liberado en las emisiones industriales, especialmente por las plantas de producción de electricidad a partir de combustibles fósiles. Una ventaja adicional estriba en la posibilidad de obtener subproductos (proteína, carbohidratos, biopolímeros, pigmentos, biogás, etc.) a partir de la biomasa microalgal residual una vez que los lípidos han sido extraídos. Inclusive, resulta factible el empleo de algunos de estos residuos en la alimentación humana o animal y en la producción de fertilizantes o de otros biocombustibles. Finalmente, la ventaja competitiva más importante del biodiesel de microalgas, consiste en los rendimientos lipídicos por unidad de área considerablemente superiores a los obtenidos con plantas oleaginosas (Schenk PM, 2008).

2.2.1. ASPECTOS GENERALES SOBRE MICROALGAS El mejoramiento de los procesos tecnológicos y diseños de sistemas integrados para el uso de subproductos generados en el cultivo de micro-algas, permitiría optimizar la relación costobeneficio en los proyectos. Para producir biodiesel no únicamente se requiere el aceite de microalgas, sino también alcohol (metanol o etanol) que constituye alrededor del 10% del volumen total en la producción. Uno de los métodos para producir alcohol es mediante hidrólisis y fermentación de celulosa vegetal. Las microalgas pueden ser cultivadas bajo condiciones agroclimáticas difíciles, como por ejemplo en desiertos. Los costos de cosecha y transporte algas es menor comparado con el cultivos agrícolas, y su tamaño pequeño permite opciones de procesamiento efectivas en cuanto a costo. En la producción de energía a partir de la biomasa en microalgas, se presentan dos acercamientos básicos, dependiendo del organismo en particular y del tipo de carbohidratos que produce. El primero, es simplemente la conversión biológica de nutrientes a lípidos y carbohidratos. El segundo, implica tratamiento termo-químico de la biomasa para obtener carbohidratos utilizables. Lípidos y carbohidratos se encuentran normalmente almacenados en la biomasa de las células de microalgas. En algunos casos, la composición de los lípidos puede ser regulada mediante la adición o restricción de algunos componentes en su dieta. Restringir las fuentes de nitrógeno o sílice, así como de otros factores de estrés, puede incrementar la producción total de lípidos (Chisti, 2007). El tipo y cantidad de lípidos y carbohidratos producidos por micro-algas se encuentran relacionados frecuentemente a factores del medio ambiente como luz, temperatura, concentración de iones y PH. No es raro encontrar niveles de lípidos entre 20 y 40% de la materia seca. En ocasiones los niveles de lípidos en micro-algas son extremadamente altos. En la especie denominada Botryococcus, la concentración de carbohidratos en materia seca puede exceder de 90% bajo ciertas condiciones (Avilez, 2009).

2.2.1.1. L ÍPIDOS EN LAS MICROALGAS 25

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Dependiendo de las especies, las microalgas producen diferente tipos de lípidos, hidrocarburos y otros aceites complejos, de los cuales no todos son adecuados para hacer biodiesel. El contenido de aceite en microalgas puede exceder el 80 % de peso de biomasa seca, y los niveles del 20 al 50 % son bastante comunes como puede observarse en la tabla (Chisti, 2007). TABLA 9. CONTENIDO DE ACEITE DE ALGUNAS ESPECIES DE MICROALGAS

Especies

Contenido de aceite (%peso biomasa seca) 25–75 28-32

Botryococcus braunii Chlorella sp. Crypthecodinium 20 Cohnii Cylindrotheca sp. 16-37 Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp. 25-33 Monallanthus salina 20 Nannochloris sp 20-35 Nannochloropsis sp 31-68 Neochloris 35-54 Oleoabundans Nitzschia sp 45-47 Phaeodactylum 20-30 Tricornutum Schizochytrium sp 50-77 Tetraselmis suecica 15-23 Fuente: Chisti, 2007

Los lípidos de las microalgas son principalmente esteres de glicerol formados por ácidos grasos con cadenas constituidas de 14-20 átomos de carbono. Estos ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados, y es justamente la presencia de ácidos grasos poli insaturados (PUFA) como: ácido eicosapentaenoico (20:5 ω-3), ácido arachidónico (20:4 ω-3), ácido linoleico (18:2 ω-6) y ácido linolénico (18:3 ω-3) que hacen extremadamente interesante el cultivo de estos microorganismos. En relación a los principales efectos, estos ácidos tienen importantes aplicaciones terapéuticas: reducción del colesterol en sangre, protección frente a las enfermedades coronarias y cardiovasculares, disminución de procesos inflamatorios crónicos, mejoría de la visión, favorecimiento del desarrollo neurológico infantil. Aumentar su contenido dentro de la célula resulta por lo tanto, interesante para algunos empleos comerciales. Los triglicéridos son los lípidos de reserva por excelencia, pudiendo llegar a constituir hasta el 80% del total de la fracción lipídica total (Borowitzka, 1988) Y se acumulan principalmente en forma de gotitas de aceite en el interior del citoplasma. Las otras clases de lípidos están representadas principalmente por lípidos polares que son componentes importantes de la membrana citoplásmica y la membrana tilacoidal que 26

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 constituyen los cloroplastos. Entre los lípidos polares encontramos los fosfolípidos y galactolípidos en porcentaje variable según las especie. La cantidad total de lípidos, así como la tipología de los ácidos grasos presentes, además de ser específica para cada especie, está ligada a factores ambientales como la intensidad luminosa, pH, salinidad, temperatura, concentración de nitrógeno y otros nutrientes en el medio de cultivo (Cobelas, 1989). Modificando uno o más de estos parámetros, el alga reacciona modificando su perfil químico. Por ejemplo la deficiencia de elementos nutritivos como el nitrógeno limita la capacidad de crecimiento de las microalgas imposibilitando la síntesis de proteínas; pero en el caso de algunas especies como Nannochloropsis sp la carencia de nitrógeno es una condición imprescindible para obtener en tiempos relativamente breves, un aumento importante del contenido lipídico celular, que no se da igual en todas las clases de lípidos. Generalmente se tiene un aumento más substancial de los triglicéridos con respecto a los lípidos de membrana (Borowitzka, 1988).

2.2.2. MÉTODOS DE CULTIVOS DE MICROALGAS. Entre las formas de producir microalgas encontramos:

2.2.2.1. E STANQUES DE MICROALGAS Cultivo en estanques al aire libre: La forma más simple de cultivo. Se trata básicamente de piscinas descubiertas expuestas al sol. Al agua de estas piscinas se suministra nutrientes para que las microalgas puedan reproducirse a un ritmo acelerado. Es el sistema menos eficiente aunque el más económico. Sin embargo, a nivel industrial no resulta rentable. Cultivo de tanques en invernadero: Los tanques de agua en los cuales se reproducen las microalgas están protegidos por invernaderos. Las ventajas de este sistema son un mejor control de la temperatura y una pérdida muy reducida de agua. Estos factores favorecen una mayor reproducción de las algas y por lo tanto un mayor rendimiento. Existen empresas productoras que optan por este sistema por considerarlo en un buen equilibrio entre la eficiencia de producción y los costes (Chisti, 2007). En la ilustración 1 se muestra un invernadero donde se pueden cultivar microalgas en un estanque.

ILUSTRACIÓN 1. INVERNADERO CON CULTIVO DE MICROALGAS.

27

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 2.2.2.2. F OTOBIORREACTORES Cultivo en fotobiorreactores: Los fotobiorreactores son conductos transparentes aislados del exterior en los cuales se desarrollan las microalgas. Estos tubos se colocan al exterior para captar mayor cantidad de radiación solar. En los fotobiorreactores las microalgas no sólo reciben la radiación natural, sino que aprovechan también la radiación artificial. Esta es su gran ventaja frente a los estanques. Sin embargo, ello supone unas instalaciones y unos costes económicos y energéticos adicionales que son muy importantes. Los fotobiorreactores pueden ir situados también dentro de invernaderos de plástico o de cristal, para así disponer de una temperatura ambiente más elevada. En la ilustración 2 se muestra un esquema de un tipo de fotobiorreactor.

ILUSTRACIÓN 2. ESQUEMA DE UN FOTOBIORREACTOR.

T IPOS DE FOTOBIORREACTORES  Tubos plásticos o de vidrio de forma triangular: Gases como C02 y O2 se hacen fluir desde la parte baja de la hipotenusa y algas con medio de cultivo se hacen fluir en el sentido opuesto.  Fotobiorreactores tubulares en forma horizontal: Son tubos de acrílico en el que se hace circular en forma horizontal medio de cultivo más algas para que están no precipiten y todas reciban la misma cantidad de luz y nutrientes  Columna vertical de burbujas: Se genera circulación del medio con algas en una columna vertical a través del flujo de gases como dióxido de carbono. Se ilumina a través de tubos de luz a lo largo del tubo, cuyo objetivo es disminuir el costo del cultivo de algas a gran escala y hacerlo más simple.  Equipos de fermentación: Algunas compañías obtuvieron aceite de algas sin crecimiento fotosintético, sino alimentando a las algas con azucares que luego estas fermentaban. Una de estas compañías ese llama Solazyme, una empresa de biotecnología que está desarrollando técnicas para producir combustible para autos y aviones a partir de algas.

2.2.3. FASES EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL 28

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 2.2.3.1. P RIMERA FASE : P RODUCCIÓN DEL A CEITE F ILTRADOR Es necesario separar el cultivo en una fase líquida y en una fase sólida que contiene los microorganismos (biomasa). El sistema debería comprender preferentemente medios para realizar esta separación, que puede ser conseguida por varios procesos. La biomasa puede ser separada de la parte líquida por centrifugación o con una unidad con filtro.

S ECADO Se pueden secar al sol, o en un país más frío, dentro de un invernadero o con un sistema de filtro de tambor (en vacío) u horno de aire caliente. Generalmente, la composición de algas (materia seca) contiene alrededor de 46% de Carbón; 10% de Nitrógeno; 1% de Fosfatos.

C ENTRIFUGACIÓN Esto implica hacer girar el material de crecimiento muy rápidamente, exagerando los efectos de gravedad. Esto puede ser usado para llevar a cabo dos cosas. La primera es separar rápidamente las células de algas del material de crecimiento. El material de crecimiento puede ser drenado, dejando algas con mucha densidad (concentración aproximadamente del 20%). La segunda combina centrifugación con microfiltración, haciendo girar el material de crecimiento y algas contra microfiltros o micro pantallas que permiten que el material de crecimiento pase a través reteniendo las algas. Mientras ambas maneras son eficaces, el uso de centrifugadoras requiere cantidades grandes de electricidad, lo que puede aumentar los gastos de manera importante.

2.2.3.2. S EGUNDA F ASE : P URIFICACIÓN DEL A CEITE P RENSADO Cuando las algas son secas retienen el aceite, que puede ser exprimido con una prensa de aceite. Muchas empresas de aceite vegetal utilizan una combinación mecánica y solventes químicos para la extracción del aceite. El producto químico más utilizado es el solvente hexano. Además, el benceno y el éter. Mientras procesos más eficientes surgen, un proceso simple es usar una prensa para extraer un porcentaje grande (el 70-75 %) del aceite de algas.

M EZCLADOR Y F ILTRADOR La extracción por medio del hexano puede usarse solo o combinado con el método de exprimir. Después de que el aceite haya sido extraído por el método de exprimir, la pulpa restante puede ser mezclada con ciclo-hexano para extraer el aceite restante. El aceite se disuelve en el ciclohexano, y la pulpa es eliminada de la solución.

D ESTILADOR El aceite y el ciclohexano son separados por medio de la destilación. Estas dos etapas (extracción en frío y solvente hexano) juntos serán capaces de sacar más del 95 % del aceite total presente en las algas.

R ECICLO DE A GUA 29

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Como es un sistema de flujo en continuo, no es necesario eliminar el agua, sino solo hacer un reciclo al estanque, el cual no tendrá un efecto negativo, ya que este flujo solo posee trazas de microalgas y agua en mayor medida (sin peligro de toxicidad). Posterior al reciclo se agrega CO2 y nutrientes necesario para la reutilización.

P UREZA DEL A CEITE La pureza del aceite, al final del proceso de destilación, es relativa y depende de muchos factores. Entre los factores encontramos: tipo de alga cultivado, cantidad de nutrientes en el medio, radiación de energía solar, entre otras.

2.2.3.3. T ERCERA F ASE : P RODUCCIÓN DEL B IODIESEL P RIMER M EZCLADO En el primer mezclador se utiliza los aceites de las microalgas, el cual está constituido por ácidos grasos de cadena larga. El alcohol metílico (CH3OH) y un catalizador ácido. Entre esos catalizadores encontramos: ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, R-SO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2).

P RIMER R EACTOR En el reactor 1 se produce la esterificación del metanol con los ácidos grasos, en presencia de un catalizador ácido.

ILUSTRACIÓN 3.ESTERIFICACIÓN DE UN ÁCIDO GRASO EN AMBIENTE ÁCIDO

La esterificación corresponde a la síntesis de esteres, esta se lleva a cabo por la reacción de un ácido carboxílico y un alcohol. Recordemos que todos los ácidos grasos son ácidos carboxílicos que junto a la glicerina forman los triglicéridos. La síntesis de biodiesel puede llevarse a cabo solo con la transesterificación, pero la esterificación suele ocuparse para ahorrar tiempo y aumentar el rendimiento final, ya que hace reaccionar los ácidos grasos libres (que no están formando triglicéridos) y los transforma en éster metílico. En la esterificación utiliza catalizadores ácidos, por lo que no es necesario recurrir a trabajar con temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos.

S EGUNDO M EZCLADOR Se agrega un catalizador de tipo básico, en los cuales encontramos: básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogéneos (KOH, NaOH). Además se pueden usar catalizadores enzimáticos: lipasas intracelulares y extracelulares. Ambas son efectivas en reacciones de 30

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 transesterificación ya sea en medio acuoso. La cantidad de catalizador depende del tipo que se emplee. Para los catalizadores básicos se registran valores desde 0.3 a 2 % en peso con respecto al aceite.

S EGUNDO R EACTOR En este reactor se realiza la transesterificación de los ácidos grasos, que consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Esta reacción se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3:1. La transesterificación es la parte más importante del proceso de producción de biodiesel, por eso se debe cuidar de todos las posibles variables de la reacción que afecten su contenido final. Entre las variables están: concentración y tipo de catalizador, acidez, humedad, relación molar de alcohol /aceite (relación estequiométrica 3:1), tiempo de reacción y temperatura. Las condiciones ideales de la operación son: temperatura 60°C, presión 0 psi, agitación 200 rpm, tiempo de la reacción 90 min.

2.2.3.4. R EACCIONES S ECUNDARIAS S APONIFICACIÓN El proceso de transesterificación, que transcurre con alcoholes y ácidos grasos, puede verse afectado en el momento en que haya una mínima parte de agua. Los catalizadores de la reacción de transesterificación son, normalmente, básicos (NaOH, KOH), y van a reaccionar rápidamente con los ácidos grasos y con los alcoholes en presencia de agua para formar otra clase de sustancias: “jabones”. La saponificación es un proceso de hidrólisis en medio básico por el cual se transforma un éster (ácido graso) en un alcohol y en la sal correspondiente del ácido carboxílico. TABLA 10. RENDIMIENTO DEL CATALIZADOR.+

Catalizador Rendimiento de la reacción % Saponificación de triglicéridos % NaOH 85.2% 5.65% KOH 90.1% 3.46% H3ONa 98.64% 0.04% CH3OK 97.2% 0.13% Condiciones de operación: Temperatura: 65°C Relación molar metanol/aceite 3:1 1% en peso del catalizador

Fuente: “Comisión de biodiesel” Universidad Complutense de Madrid, 8 de diciembre de 2007.

N EUTRALIZADOR El neutralizador cumple una función muy básica y fundamental, es aquí donde la mezcla de la transesterificación se mezcla con un ácido para que los catalizadores básicos no reaccionen con los ácidos grasos libres que queden, ya que producirían jabones indeseados en el producto final. 31

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 D ESTILADOR En el destilador se busca separar el alcohol metílico de la mezcla. El destilador consta de un recipiente donde se almacena la mezcla a la que se le aplica calor, un condensador donde se enfrían los vapores generados, llevándolos de nuevo al estado líquido y un recipiente donde se almacena el líquido concentrado. En la unidad de destilación se despoja al producto de los volátiles, compuestos fundamentalmente por el alcohol metílico en exceso. Los vapores de metanol se condensan y se envían al primer mezclador, del cual será nuevamente introducido en el ciclo.

D ECANTADOR La decantación consiste en la separación de mezcla por medio de las densidades. El producto de fondo del destilador, que contiene el metiléster, la glicerina, y sales se envía al decantador, en el cual se separa el metiléster del resto de los productos. Obteniendo por un lado mezcla de glicerina al 90% y el resto sales e impurezas (jabones, catalizadores ácidos) y por otro el biodiesel. Condiciones de operación: temperatura 25°C, presión 0 psi, duración 12 hrs min. Para algunas refinerías el proceso queda completado después del decantador, ya que muchas empresas consideran que la purificación del biodiesel es demasiado costosa para la producción en masa.

2.2.3.4. C UARTA F ASE : P URIFICACIÓN DEL B IODIÉSEL El biodiesel está constituido principalmente, por mezcla de ésteres metílicos, pero también puede contener resto de jabones, glicerina, glicéridos (mono-, di- y tri), ácidos grasos libres, catalizadores, sustancias insaponificables y agua. La presencia de estos componentes minoritarios en mayor o menor medida son los que determinan la calidad del biodiesel.

L AVADO Una vez el diésel es separado de la glicerina debe ser lavado porque puede tener contenidos de sales, metanol, jabones y grasas sin reaccionar. Para el lavado se utilizó una cantidad de agua correspondiente a la tercera parte del biodiesel obtenido, el agua total es la que se agrega en cuatro lavados. Condiciones de operación: temperatura 25°C, presión 0 psi, tiempo de lavado depende de cada metiléster.

S ECADO El biodiesel es secado para eliminar el contenido de agua que queda del lavado, se deja secar hasta que no se observe burbujeo, el tiempo varía según el metiléster. Condiciones de operación: temperatura 110°C, presión 0 psi. Luego del secado del biodiesel, este se encuentra en condiciones para su almacenamiento y distribución (Lenoir, 2008). Los aspectos más importantes a tener en cuenta en la producción del biodiesel, para asegurar un correcto desempeño en el motor diésel son:  Reacción de transesterificación completa.  Eliminación de la glicerina.  Eliminación del catalizador. 32

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013  Eliminación del alcohol.  Ausencia de ácidos grasos libres en el producto final.

2.2.3.5. D IAGRAMA DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIIODIÉSEL

Fuente: (Barraza, 2009) La utilización de microalgas es la forma más eficaz de generar este nuevo hidrocarburo renovable, ya que las podemos encontrar en grandes cantidades en la naturaleza y de forma muy rápida sintetiza este aceite que será utilizado luego en el proceso de tranesterificación para obtener el biodiésel. Si bien hoy en día la producción de este combustible natural es utilizada mezclándose con el diésel convencional, debido a que su producción no es aún masiva, se espera que en un futuro no muy lejano esto cambie y el biodiesel sea utilizado al 100 por ciento. TABLA 11. COMPARACIÓN DE DISTINTAS FUENTES DE MATERIA PRIMA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN MÉXICO. SE INDICAN LAS PROPORCIONES DE SUELO FÉRTIL Y DE SUPERFICIE TOTAL DEL PAÍS NECESARIAS PARA REEMPLAZAR CON BIODIESEL EL 100% DE LA DEMANDA DE PETRODIÉSEL EN MÉXICO. LAS FRACCIONES DE SUPERFICIE TOTAL SÓLO SE SEÑALAN PARA MATERIAS PRIMAS QUE NO PRECISAN DE SUELOS FÉRTILES.

Materia prima

Productividad de biodiesel (L/ha/año)

Palma Jatropha Colza

5950 1892 1190

33

Superficie equivalente requerida (ha x 106) 3.972 12.490 19.859

Porcentaje equivalente de la superficie fértil requerida 16.14 50.75 80.69

Porcentaje equivalente de la superficie total (no necesariamente fértil) requerida 6.43 -

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Girasol Soya Microalgasa Microalgasb

952 446 12000 20000

24.823 52.986 1.969 1.181

100.9 215.3 8.00 4.80

1.01 0.61

a Rendimiento conservador de productividad de biodiesel microalgal acorde con Schenk et al. (2008). b Productividad de biodiesel microalgal asequible a través de la tecnología actualmente disponible, acorde con Wijffels (2008).

Fuente: (CIA World Factbook, 2009; Schenk et al., 2008).

2.2.4. SITUACIÓN ACTUAL DEL BIODIÉSEL A PARTIR DE MICROALGAS Las microalgas juegan un importante rol en la capacidad productiva global. Aunque producen solamente el 0,2% de la fotosíntesis de la biomasa, se estima que aproximadamente realizan la fijación del 50% del carbono orgánico global y que contribuyen entre el 40-50% a la oxigenación de la atmósfera. Bajo las limitaciones de las tecnologías actuales, las algas pueden convertir el 15% de la radiación solar disponible mediante fotosíntesis (PAR-photosynthetic available radiation) o aproximadamente el 6% de la radiación incidente total. En contraste, los cultivos terrestres, poseen una eficiencia de conversión fotosintética menor. Por ejemplo, la caña de azúcar, uno de los cultivos terrestres más productivos, no superan en ningún caso el 3,5-4% de PAR. Sobre este tipo de tecnología se ha experimentado desde 1950 y existe una extensa experiencia en su ingeniería. Las mayores instalaciones de producción de biomasa basadas en este método, ocupan áreas de unos 440.000 m2 (Spolaore, 2006).

2.2.5. LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL A PARTIR DE MICROALGAS En este nuevo campo de obtención de energía primaria, existe como en la mayoría, una serie de barreras técnicas, económicas y regulatorias que deben ser solventadas para lograr el desarrollo de una industria a gran escala basada en los biocombustibles de origen renovable. Por norma general podemos afirmar que la producción de biomasa a partir de microalgas es más cara que la obtenida mediante el cultivo de especies tradicionales terrestres. La explotación de cultivos terrestres posee un rango de producción que ha sido mejorado durante miles de años mediante su uso alimentario. Tanto la maquinaria como las labores culturales se encuentran totalmente adaptadas y muy evolucionadas. Pero, la interrogante que se tiene es si los organismos fotosintéticos terrestres son más eficientes desde el punto de vista fotosintético. El crecimiento fotosintético requiere luz, dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas. Las plantas tradicionales desarrollan diferentes sistemas tisulares que desarrollan diversas funciones. La energía transformada en las zonas verdes (hojas y en ocasiones tallos) tiene la principal función de garantizar la supervivencia de la planta y para ello se concentra en mayor cantidad en los frutossemillas, por lo que gran parte de la energía asimilada se “perderá” en desarrollar el resto de los tejidos. Sin embargo, en el caso de las microalgas, se puede afirmar que será toda la superficie del organismo el que realice la función fotosintética, obteniendo un mayor rendimiento en la transformación de la energía lumínica a energía química. Esto coloca a las microalgas en la base de la cadena trófica, transmitiendo la energía al resto de escalones. Un crecimiento medio de las 34

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 microalgas precisa una serie de elementos inorgánicos que constituirán la célula. Los elementos denominados esenciales incluyen nitrógeno, fósforo, metales y en algunos casos silicio. Unos requerimientos mínimos nutricionales podrían ser estimados usando una aproximación a la formula molecular de su biomasa: 0.48CO - 1.83H - 0.11N - 0.01P ECUACIÓN 1. FORMA MOLECULAR DE LOS REQUERIMIETOS NUTRIOCIONALES DE LA BIOMASA MICROALGAL.

Los nutrientes como el fósforo deben ser suministrados en exceso debido a que la mayoría de las formas en las que se encuentra están en forma de complejos metálicos, por lo que no todo el fósforo es bioasimilable. El agua del mar suplementada con fertilizantes comerciales nitrogenados y fosforados con una pequeña cantidad de otros micronutrientes es comúnmente usado para el desarrollo de microalgas marinas (Grima, 2003). La biomasa de microalgas contiene aproximadamente un 50% de carbono de base seca (Sanchez, 2003). Todo este carbono deriva del CO2 atmosférico. Una producción de 100 toneladas de biomasa de algas ha fijado de media 183 Toneladas de dióxido de carbono. El CO2 debe ser suministrado de manera continua durante las horas de luz y controlado mediante sensores de pH que minimizan las pérdidas por exceso de inputs y regulan la acidez. Para la producción de biodiesel, el uso de CO2 procedente de plantas que usan recursos fósiles para la obtención de energía, posee un gran potencial debido a que está generalmente disponible y tendría un bajo o nulo coste. (Wijffels et al., 2010) Teóricamente, el biodiesel procedente de microalgas puede poseer un balance de CO2 neutro, siempre y cuando la energía necesaria para la producción y el procesamiento del alga viniera de la combustión del propio biodiesel y del metano producido en la digestión anaerobia del residuo de biomasa generado tras la extracción del aceite.

35

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

3. HIPÓTESIS El proceso de producción de biodiésel a partir de microalgas representa una opción viable y puede ser mejorado y optimizado de acuerdo a un análisis de ciclo de vida.

4. OBJETIVOS 4.1. OBJETIVO GENERAL Evaluar los impactos ambientales del proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas analizando su de ciclo de vida, balance neto de CO2 y el uso de los subproductos como alternativas de materias primas.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7.

36

Revisión y análisis de las diferentes microalgas usadas para la producción de biodiesel. Análisis teórico de Ciclo de Vida de la producción de biodiesel. Análisis del cálculo de la huella hídrica del proceso de producción de biodiésel. Análisis teórico del Ciclo de Vida de los residuos que se obtienen en la producción de biodiesel. Identificar los puntos críticos en las etapas de producción de biodiesel y posibles alternativas de mejora. a. Secado de biomasa Evaluación teórica de costos. Proponer una alternativa de uso de los residuos para dar valor agregado al proceso.

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

5. METODOLOGÍA El desarrollo de este trabajo involucra la estrategia de análisis y selección mediante la comparación de diferentes fuentes de información. Analizando las modificaciones para resolver problemas de optimización, solución de un balance de materia, análisis de sensibilidad y estimación económica para cada objetivo específico, basado en la suposición de variables que intervienen en el proceso.

5.1 REVISIÓN Y ANÁLISIS DE LAS DIFERENTES MICROALGAS USADAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL. México se presenta como un escenario adecuado para el desarrollo de las microalgas dada la diversidad de ecosistemas acuáticos. Sin embargo el biodiesel a partir de microalgas no ha sido ampliamente utilizado y comercializado debido a sus altos costos de producción (Wu, 2012). Es por esto que es necesario elegir la mejor microalga para la producción de lípidos para la producción de biodiesel. Esto se hizo mediante una comparación de las microalgas existentes y su experiencia en el ramo de los biocombustibles que fueron encontradas en la diferente literatura. En la tabla 12 se hace una comparación de los componentes de las principales microalgas usadas en la producción de biodiésel a partir de microalgas. Según estudios de Demirbas, 2011; Xu, 2006 y Moheimani et al., 2006. TABLA 12. COMPARACIÓN DE MICROALGAS USADAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL.

Microalga

Proteínas (% en peso base seca)

Carbohidratos (% en peso base seca)

Lípidos (% en peso base seca)

Scenedesmus obliqus

50-56

10-17

12-14

Scenedesmus quadricauda

47

-

1.9

Scenedesmus dimorphus

8-18

21-52

16-40

Chlorella vulgaris

51-58

12-17

28-32

Dunaliella bioculata

49

4

8

Dunaliella salina

57

32

6

Euglena gracilis

39-61

14-18

14-20

Spirulina platensis

46-63

8-14

4-9

37

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Sprirulina maxima

60-71

13-16

6-7

Es evidente observar que los valores de Scenedesmus obliqus, Chlorella vulgaris y Dunaliella bioculata destacan en porcentaje en peso base seca de proteínas, las microalgas de la especie Chlorella vulgaris y Dunaliella salina destacan en porcentaje en peso en carbohidratos con valores que van desde 12 a 32 %. Finalmente se puede observar en la tabla 12 que el porcentaje de lípidos para Chlorella vulgaris y Euglena gracilis son los que se presentan como altos. En la tabla 13 se muestran contenido de lípidos y la productividad de algunas microalgas en sus ecosistemas por Mata et al., 2010. TABLA 13. COMPARACIÓN DE MICROALGAS EN LO REFERENTE A PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS.

Cont. de lípidos (% w/wDW) 25 -75 5-58

Producción de lípidos (mg/L-Día)

Tipo de cultivo

11.2-40

Continuo/Batch Continuo/Batch

18-57

44.8

-

Agua dulce

1.9-18.4

35.1

Continuo

Agua salada Agua salada Agua dulce Agua salada o salobre

6-25 7.1-33 14–20

116 37.8 -

Continuo Batch Continuo/Batch

4-9

-

Continuo/Batch

Microalga

Hábitat

Botryococcus braunii Chlorella vulgaris Phaeodactylum Tricornutum Scenedesmus quadricauda Dunaliella salina Isochrysis sp. Euglena gracilis Arthrospira (Spirulina) platensis

Agua dulce Agua dulce Agua salada o salobre

En el estudio que se presenta en la tabla 13 se puede observar que se destaca la microalga Chlorella vulgaris con un contenido en lípidos peso seco de 5 a 58% siendo esta, al igual que Botryococcus braunii con valores de 25 a 75%, las más altas. Dentro de la selección de las especies más adecuadas para la producción de biodiesel, además de altas productividades, deben ser tomados en cuenta otros factores (Amaro et al., 2011):    

Tasa de crecimiento. Cantidad y calidad de lípidos. Facilidad de recolección de la biomasa y su tratamiento posterior. La posibilidad de obtener residuos con alto valor agregado.

38

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013 Estos factores son un factor determinante para elegir la microalga que tendrá la mejor productividad. De las especies nombradas pocas son explotadas comercialmente, a excepción de la Chlorella vulgaris. Las microalgas más comunes y mejor estudiadas poseen los niveles de aceite entre 20% y 50% además sumado a esto poseen productividades que resultan interesantes. Entre estas microalgas destacan la Chlorella, Dunaliella, Euglena, Isochrysis, Nannochloris, Nannochloropsis, Neochloris, Nitzschia, Phaeodactylum y Porphuridum spp. En la tabla 14 se presenta un esquema general de las principales microalgas utilizadas para la producción de biodiésel. La microalga chlorella vulgaris contiene 30% de lípidos en base a su peso seco, en promedio, y ha sido una de las microalgas más utilizadas, sobre la cual se pueden encontrar datos relevantes y fiables, además de que su acceso no está limitado. Se produce fundamentalmente por medio de tanques de cultivo abiertos, aunque recientemente comienzan a aparecer explotaciones de cultivos en fotobiorreactores cerrados e incluso en fermentadores decrecimiento heterotrófico. Por lo cual se adapta a cualquier tipo de cultivo. Son capaces de mantener elevadas tasas de crecimiento en sistemas abiertos, constituyendo un contaminante habitual en cultivos intensivos de otras especies. Es por esta razón y basado en los estudios analizados se elige la microalga Chlorella vulgaris para este estudio, suponiendo un porcentaje en peso seco de 30% de lípidos.

39

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

TABLA 14. TABLA COMPARATIVA PARA UNA ADECUADA SELECCIÓN DE LA MICROALGA.

Grupo de algas

Especie de microalga

Hábitat

Lípidos % (peso seco)

Proteínas % (peso seco)

Carbohidratos % (peso seco)

Productividad de Biomasa (g/L/día)

Temperatura optima

Referencias

Phaeodactylum tricornutum

Marino

18-57

-

-

44.8

25

Mata et al., 2010

Chlorella vulgaris

Agua dulce

5-58

51-58

12-17

11.2-40

25

Chisti, 2007& Demibras et al., 2011

Scenedesmus quadricauda

Agua dulce

1.918.4

47

-

35.1

26

Chisti, 2007

Botryococcus braunii

Agua dulce

25-75

-

-

ND

26

Mata et al., 2010

Chlrococcum sp.

Agua dulce

19.3

-

-

53.7

-

Tertaselmis maculata

Marino

3

52

15

36.4

-

Euglena gracilis

Agua dulce

14-20

39-61

14-18

ND

25

Diatomeas

Algas verdes

40

Chisti, 2007& Demibras et al., 2011 Chisti, 2007& Demibras et al., 2011 Mata et al. 2010

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Arthrospira (Spirulina) platensis

4-16.6

46-63

8-14

ND

30

Mata et al. 2010

Nannochloropsis sp.

Marino

12-53

-

-

60.9-76.5

-

Mata et al., 2010

Isochrysis sp.

Marino

7.1-33

-

-

37.8

25

Mata et al. 2010

Eustigmatophytes

Porphyridium cruentum

Marino

9-14

28-39

40-57

34.8

-

Mata et al. 2010& Chisti, 2007

Dunaliella Salina

Marino

6-25

57

32

116

26

Mata et al., 2010

Algas rojas

41

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5.2 ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL. El Análisis de Ciclo de Vida es una técnica para evaluar los aspectos medioambientales y los potenciales impactos asociados con un producto mediante:  La recopilación de un inventario de las entradas y salidas de materia  La interpretación de los resultados. El ciclo de vida de producción de biodiesel a partir de microalgas incluye los procesos de cultivo, la cosecha, secado, extracción y esterificación (Wang et al., 2008). Sin embargo para este estudio solo se analizó la parte teórica del ciclo de vida para tener una visión de las entradas y salidas de cada una de las etapas del proceso. En esta sección se analizaron cada una de las etapas del proceso de producción de biodiésel a partir de microalgas con el fin de elegir la mejor tecnología para cada una de las etapas. El proceso de producción de bodiésel, por lo general cuenta con las siguientes etapas: 1. Cultivo de microalgas 2. Cosecha de microalgas 3. Secado de microalgas 4. Extracción de aceite de las microalgas 5. Transesterificación En la ilustración 4 se muestra cada una de las etapas y las diferentes tecnologías usadas en cada una las cuales fueron analizadas cada una para determinar la que mejor se adapte al objetivo de este estudio.

ILUSTRACIÓN 4. ETAPAS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL Y LAS DIFERENTES TECNOLOGIAS UTILIZADAS.

42

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5.2.1 CULTIVO DE MICROALGA. En el cultivo de microalgas las principales entradas que se tienen en esta etapa son la energía solar, CO2, nutrientes que se agregan mediente método Grillard (apéndice A) y agua. La principal salida de esta etapa está conformada por la solución acuosa microalgal. Tal como se muestra en la ilustración 5. Entradas: Energia (sol)

Cultivo de microalgas

CO2 Nutrientes

Salidas: Solucion acuosa de biomasa mimcroalgal

Agua

ILUSTRACIÓN 5. ENTRADAS Y SALIDAD DEL CULTIVO DE MICROALGAS.

A grandes rasgos existen dos tipos de sistemas de cultivo de microalgas, cada uno con sus ventajas y desventajas: el cultivo en lagunas y el cultivo en fotobiorreactores. Las lagunas consisten en grandes piscinas de forma ovalada, parecidas a una pista de carrearas de baja profundidad (se les conoce en inglés como “Raceway Pond System”). El cultivo en lagunas permite el crecimiento de microalgas a gran escala y a un costo relativamente bajo. Seleccionar un método de producción de biomasa de microalgas apropiado requiere una comparación de las capacidades de los estanques y de los fotobioreactores que se aprecia en la tabla 15. TABLA 15. COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CULTIVO DE MICROALGAS.

Condición Producción de biomasa anual (kg) Productividad volumétrica (kg/m3d) Productividad en superficie (kg/m2d) Concentración de la biomasa en caldo (kg/m3) Índice de dilución (d) Superficie necesaria (m2) 43

Fotobioreactores

Estanques

100 000

100 000

1.535

0.117

0.048

0.035

4

0.14

0.384 5681

0.25 7650

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Rendimiento en aceite (m3ha)

136.9a-58.7b

Sistema geométrico

132 tubos paralelos/unidad; 80m de longitud, 0.06 de diámetro.

Número de unidades

6

99.4a-42.6b 976m2/estanque; 12m de largo, 82m de longitud, 0.30 de profundidad. 8

a basado en un 70% de aceite en peso en la biomasa. b basado en un 30% de aceite en peso en la biomasa.

Fuente: Chisti, 2007; Monthiue et al., 2010. Esta comparación está hecha para una producción anual de biomasa de 100, 000 kg (Chisti, 2007). Siguiendo los valores reportados se tiene que por metro cuadrado de superficie necesaria se obtiene 13.07 kilogramos de biomasa seca anual en los estanques y 17.60 kilogramos para los fotobiorreactores. Los dos métodos de producción consumen la cantidad idéntica de dióxido de carbono. Los fotobioreactores tienen un rendimiento en aceite por hectárea mucho más grande que los estanques. Eso se puede explicar por la productividad volumétrica de la biomasa de los fotobioreactores que es 13 veces más grande en comparación con los de los estanques. En la tabla 16 se pueden observar las principales ventajas de cada uno de los métodos. TABLA 16. CARACTERÍSTICAS DE LOS DOS MÉTODOS UTILIZADOS PARA EL CULTIVO DE MICROALGAS.

Fotobiorreactores

Estanques

Escala laboratorio. No comercial

Demostrado a gran escala

Cultivo de especies sin contaminación

Propenso a contaminación por algas no deseadas

La pérdida de agua puede ser controlada

Pérdidas de agua por evaporación

Se puede mantener la temperatura

Difícil controlar la temperatura por las noches

Permite una provisión de nutrientes más fácil y exacta Costo para producir 1 kg de biomasa $7-45 pesos

Requiere una cantidad más importante de nutrientes. Costo para producir 1 kg de biomasa $5-35 pesos

Elaboración propia basada en Monthieu, 2010; Chisti, 2007. Los dos métodos de producción, con estanque o fotobioreactores son técnicamente viables. Sin embargo dada la experiencia de uso y dadas las condiciones de la ciudad de Chihuahua que cuenta 44

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con una extensión territorial bastante amplia se podría utilizar los estanques o lagunas y aprovechar la gran incidencia solar del estado para la producción de microalgas. En esta etapa se eligió utilizar como mejor tecnología los estanques para el cultivo de las microalgas.

5.2.2 COSECHA DE MICROALGAS . La separación de las microalgas de su medio de cultivo es conocido como la cosecha. El alto contenido de agua de la biomasa debe ser removido para permitir la recolección. En esta etapa se hace un inventario de entradas y salidas que se muestra en la ilustración 6: Salidas:

Entradas: Solución acuosa de biomasa microalgal Energía

Cosecha

Agua Solución microalgal al 60% de humedad.

ILUSTRACIÓN 6. ENTRADAS Y SALIDAS DE LA COSECHA DE MICORLAGAS.

Se hizo una comparación de los diferentes métodos que se utilizan para retirar el alto contenido de humedad de la solución acusa microalgal. En la tabla 17 se muestran algunos de los métodos y una explicación de su uso. TABLA 17. METODOLOGÍA DE SEPARACIÓN DE AGUA DE LA BIOMASA.

Metodología Filtración Centrifugación

Floculación

Descripción Proceso de separación de sólidos en suspensión en un líquido a través de un medio poroso. Se separan sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza rotativa. Proceso químico, mediante la adición de sustancias floculantes se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, y se decantan para ser flitradas.

Bibliografía (Torres, 2011) (Torres, 2011) (Torres, 2011)

Estas 3 metodologías son las más comúnmente usadas, sin embargo es necesario profundizar en ellas como se muestra en la tabla 18, donde se muestra el porcentaje de separación de cada método, sus principales ventajas y desventajas, en los trabajos que presentan Brennan et al., 2010; Monthieu, 2010; Heasman et al., 2000. TABLA 18. COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS UTILIZADOS PARA LA COSECHA DE MICROALGAS.

45

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Porcentaje de separación

Método

Ventaja

Desventaja

95%

Separación bastante buena

Método costoso para operaciones de gran escala y económicamente no viable( 0.84$/m3 de caldo de microalgal)

Centrifugación

>95%

Método rápido (70 (3 días) micras) Fuente: Brennan et al., 2010; Monthieu, 2010; Heasman et al., 2000.

Sedimentación por gravedad

Se eligio el método de floculación con un floculante de Al2SO3 porque según Heasman et al., es el floculante que tiene mayor porcentaje de separación. El método que presenta más desventajas es el de floculación por su alto costo y además de presentar un potencial impacto al medio ambiente con los residuos que se generen. La sedimentación por gravedad es el método más usado sin embargo es un método poco utilizado en el proceso de producción de lípidos ya que es específico para cierto tamaño de microalgas y su principal desventaja es que es un método que requiere altos tiempos de espera. La centrifugación resulta ser un método ampliamente usado y de alto porcentaje de separación, sin embargo presenta un alto consumo energético el cual según Heasman et al., 2000 es de 9.85 kWh por metro cubico de aceite obtenido. La ventaja que presenta es que es un método rápido y además no produce residuos tóxicos siendo así amigable al medio ambiente que es la parte más importante a analizar.

5.2.3 SECADO DE LA BIOMASA En la etapa de secado las principales entradas y salidas son las siguientes tal como se muestra en la ilustración 7:

46

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Entradas:

Salidas:

Solución microalgal al 60% de humedad

Secado

Agua Biomasa seca.

Energía

ILUSTRACIÓN 7. PRINCIPALES ENTRADAS Y SALIDAS DEL SECADO DE LA BIOMASA MICROALGAL.

Existen mucho tipos de secadores usados en el secado de biomasa, incluyendo secadores rotatorios de llama directa o indirecta, secadores de transportador, secadores de cascada, secadores neumáticos o secadores flash, secadores de vapor sobrecalentado, y secadores de microondas. Es por esto que esta sección se enfocara a 3 tipos de secado que son los mayormente utilizados en la biomasa microalgal citados en la literatura. El secado por spray (o atomización) es un método aplicado para secar o formar partículas con soluciones acuosas u orgánicas, emulsiones, en química industrial y en la industria alimentaria. El secado por spray que comienza con la atomización del líquido de alimentación en un rocío de gotas en spray. Luego, dichas gotas son puestas en contacto con una corriente de aire caliente en la cámara de secado. El secado en tambor rotatorio este método de secado se usa principalmente en soluciones acuosas expuestas a un rotador, preferiblemente chapado con cromo, en un tambor climatizado. Y finalmente el secado solar que es un sistema muy antiguo de conservación de alimentos. Existen dos tipos de secadores solares. Uno es el secador solar indirecto en donde la radiación solar es captada por un colector por donde circula una cierta cantidad de aire. La otra forma de secado es el secado directo. En este caso la radiación solar incide directamente por el producto a secar, adquiriendo así la energía de evaporización necesaria. Luego, se elimina por el aire tomado del exterior la humedad formada en los alrededores del producto. Tal como se menciona en la sección 2.2.3. En la tabla 19 se hace una comparación de los métodos más utilizados para el secado de la biomasa. TABLA 19. COMPARACIÓN DE MÉTODOS PARA EL SECADO DE BIOMASA MICROALGAL PARA CHLORELLA VULGARIS.

Tipo de secado

Secado en spray

47

Porcentaje de Requerimiento humedad energético por vaporizado kg de biomasa

95%

1

80kWh

Ventajas

Desventajas

Fuente

El más utilizado

Muy costoso y deteriora los pigmentos de las

Monthieu, 2010

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

microalgas Secado en tambor rotatorio

Secado solar

70%

95%

2

3

42kWh

-

No importa el tamaño de las partículas

Método más económico

Humedad difícil de controlar

Largos tiempos de secado

Torres-Badillo & FloresTomalá, 2011. Torres-Badillo & FloresTomalá, 2011. Jaramillo, 2011.

1. Características del equipo secador spray de la empresa GEA Process Engineering. 2. Características del equipo de tambor rotatorio de la empresa Co. Qingdao machines ORB. 3. Características de un secador solar de Arkatechnology.

El secado en spray resulta ser una alternativa tentadora ya que es el más utilizado, sin embargo es el que más alto requerimiento energético por kilogramo de biomasa tiene, con un valor de 80kWh por kilogramo de biomasa, además de que su principal desventaja es que deteriora los pigmentos de las microalgas y esto es una desventaja muy fuerte frente a la comercialización de los subproductos. El método de secado por tambor rotatorio que es también de los más utilizados no tiene un buen porcentaje de humedad vaporizado y esto representa una desventaja ya que se busca la optimización y mejoramiento del proceso de producción de biodiésel. En Chihuahua el 40% de su territorio existe clima muy seco, siendo así el secador solar una viable tecnología ya que es probablemente el método de deshidratación menos costoso. Sin embargo, este método es lento y requiere una superficie de secado grande. Para este estudio se eligio el secado solar, en la comparación se analiza un sistema de secado solar directo, sin embargo en la sección 5.5 se mejora la elección de tecnología.

5.2.4 EXTRACCIÓN DE ACEITE . En esta sección se presentan los diferentes métodos de extracción que existen. Posteriormente, se verá con detalle cada método para elegir el método que mejor se ajuste a la reducción de costos para la producción de biodiésel. Dentro del inventario de salidas y entradas de la etapa de extracción de aceite se tienen las siguientes tal como se muestra en la ilustración 8:

48

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Salidas: Entradas:

Aceite

Extraccion de aceite

Biomasa seca Disolvente

Harina de biomasa Solucion de disolventes y acidos grasos.

Energía

ILUSTRACIÓN 8. ENTRADAS Y SALIDAD DE LA EXTRACCION DE ACEITE MICROALGAL.

Dentro de las opciones de metodologías usadas para la extracción de aceite se detallan algunas de ellas y se hace una comparación de su rendimiento de aceite, rendimiento energético, principales ventajas y desventajas, así como del costo de la extracción por unidad de tiempo. La primera opción mecánica es la extracción mediante prensas. Las algas deben ser previamente desecadas. Es un método simple que extrae el aceite de las algas secas exprimiéndolas. El método de extracción con prensa se puede utilizar junto con el método de extracción con solventes orgánicos que permite obtener rendimiento grande en aceite. El segundo método es la extracción enzimática donde se utilizan enzimas para degradar las paredes celulares. Es un método puramente químico donde entran muchos factores que pueden afectar la extracción. La tercera extracción es el método de extracción con fluidos supercríticos. En este proceso, se licua el dióxido de carbono y se calienta a presión para que actúe como solvente en la extracción de aceites. Estas son las principales tecnologías usadas, existen otras, sin embargo para fines de este estudio solo se analizaran las antes mencionadas. En la tabla 20 se hace una comparación de estas tecnologías. TABLA 20. METODOLOGÍAS USADAS PARA LA EXTRACCIÓN DE ACEITE MICROALGAL.

Método

Prensado

Extracción con disolvente (ciclohexano) 49

Rendimiento en aceite

65%

95%

1

2

Requerimiento energético

Ventajas

Desventajas

9.2kWh

Simple de usar

Alto costo de inversión (700,000$)

67kWh

Alto rendimiento hasta un 95%

Peligro con los productos químicos

Costo de la extracción

Fuente

-

Brennan et al., 2010; Monthieu, 2010.

30.78$/h

Brennan et al., 2010; Monthieu, 2010.

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

Extracción por fluido supercrítico

95%

Extracción enzimática

3

-

0.6kWh

Alta pureza del aceite

Alto costo de CO2 (20$/h)

-

No genera productos tóxicos

Dependiente de las células.

30.45$/h

Brennan et al., 2010; Monthieu, 2010.

ND

Brennan et al., 2010; Monthieu, 2010.

1 Características de la prensa XP 100 de extracción de aceite de Alvan Blanch. 2 Características del equipo para la extracción con solventes del Grupo AGICO. 3 Características del equipo de FSC de la Empresa UHDE High Pressure Technology

Todas las tecnologías funcionan y son técnicamente viables. Sin embargo la extracción con disolvente orgánico y la extracción por fluido supercrítico son las que poseen porcentajes de rendimiento de aceite más altos.

5.2.5 TRANSESTERIFICACIÓN El proceso de trasesterificación es un proceso ampliamente conocido y utilizado. La transesterificación consta de tres reacciones consecutivas y reversibles y se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1. La expresión general de la estequiometria molar de la transesterificación con metanol es la siguiente: 1 ACEITE + 3 METANOL

3 AQUILESTERES + 1 GLICERINA

El subproducto originado, la glicerina se separa del biodiesel. El rendimiento final que se suele obtener es alrededor de 85%. En la ilustración 10 se puede observar el proceso de trasesterificación, en este análisis se tomó como una sola etapa en la cual las principales entradas son: lípidos, metanol, catalizador básico y ácido y neutralizador (aceite mineral) y salidas son: biodiesel, glicerina, productos químicos y ácidos grasos de cadena corta, como se muestra en la ilustración 9.

Salidas:

Entradas: Aceite

Trans-

Biodiésel

Metanol

esterificación

Residuos

Catalizadores

50

Glicerina Acidos grasos

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

ILUSTRACIÓN 9. PRINCIPALES ENTRADAS Y SALIDAS DE LA TRANSESTERIFICACIÓN.

Mezclador 1

Reactor 1

Mezclador 2

(catalizador ácico + Metanol)

(Esterificación)

(catalizador básico)

Reactor 2

Neutralizador

Destilador

(Transesterifcación)

(Ác. mineral)

(Alcohol métilico)

Decantador

Biodiesel + Glicerina ILUSTRACIÓN 10. PROCESO DE TRANSESTERIFICACIÓN.

5.3 ANÁLISIS Y CONSIDERACIÓN DE VARIABLES PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL QUE INTERVIENEN EN LOS SIGUIENTES OBJETIVOS ESPECÍFICOS Para continuar con analizando los siguientes objetivos específicos fue necesario adecuar una serie de suposiciones y datos sacados de la bibliografía para el proceso de producción de biodiésel que se analizó y para la evaluación económica. El primer paso para llevar a cabo las suposiciones fue la elaboración de un balance de materia teórico de la biomasa microalgal sin tomar en cuenta los demás componentes involucrados en el proceso de producción de biodiésel. El balance de masa se hizo suponiendo una producción de 20,000 kg de biomasa que entran al proceso. Dado el valor de Chisti, 2007 que por cada m 2 se producen 13.07 kg de biomasa se tiene una superficie de 1530m2 para este estudio. Basándose en estos primeros datos, las eficiencias de los equipos utilizados en la producción de biodiesel, el porcentaje en lípidos de la microalga Chlorella vulgaris y la composición de los lípidos de la microalga, que se muestra en la tabla 21, se hizo el siguiente balance de masa.

51

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Cosecha

Cultivo

Centrifugación 95%

20000 kg de solución microalgal

% de humedad retirado 40 11400 kg de biomasa humeda

Extracción Eficiencia 95%

Transesterificación

292.41 Kg lipidos

Eficiencia 85%

80% SCFA-20%PUFA

198.83kg biodiésel (FAME)

233.92 Kg SCFA- 58.48 kg PUFA

Secado Eficiencia 90% Humedad Requerida 10% 1026kg de biomasa seca

Subproductos (Rendimiento PUFA 85%)49.70 Kg Omega 3 66.3 kg glicerina

Donde se puede observar que entra una carga de 20,000 kilogramos de solución microalgal a la cosecha donde es tratada por centrifugación con un porcentaje de separación del 95% y obteniendo un porcentaje de humedad del 60%. Al proceso de secado con una eficiencia del 90% entran 11,400 kilogramos de biomasa húmeda y se le retira un porcentaje de humedad del 90%. Al proceso de extracción de aceite que tiene una eficiencia del 95% entran 292.41 kilogramos que idealmente son el 30% de la composición de lo que sale del secado. El otro 70% es la harina de biomasa que sale como subproducto. La manera de efectuar el balance de masa en las siguientes etapas está dada por la cantidad de lípidos de cadena corta y poliinsaturados. Ya que los ácidos grasos que nos darán origen al biodiésel son los de cadena corta y saturados. Por último la relación dada en la sección 5.2.5 nos indica que por cada 3 de biodiésel se producirá uno de glicerina en la transesterificación con una eficiencia del proceso del 85%. TABLA 21.COMPOSICIÓN (%) DE LOS ÁCIDOS GRASOS DE LA FRACCIÓN LIPÍDICA EXTRAÍDA DE CHLORELLA VULGARIS DESPUÉS DE SIETE DÍAS DE CULTIVO EN EL MEDIO DE CONTROL.

Ácidos grasos Composición (%) Totales saturados 45% Totales monoinsaturados 35% Totales poliinsaturados 20% Fuente: Jaramillo, 2011. Los siguientes son datos y suposiciones que se tomaron en cuenta para los siguientes objetivos específicos: 52

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TABLA 22. DATOS Y SUPOSICIONES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL.

Datos

Valor

Unidades 2

Referencia

Precio del terreno

66.25

US$/m

www.Centruy21Chihuahua.com

Operación de la planta anual

320

días/año

Suposición

Operación de la planta anual

5120

h/año

Suposición

Tasa de interés

12%

anual

Rubiales-Casal, 2011; Monthieu, 2010; Torres-Badillo&Flores-Tomalá, 2011

Precio de microalga solución húmeda

1.5

US$/kg de microalga

Rubiales-Casal, 2011

Costo de producción en el estanque

3.83

US$/kg de biomasa producida

Brennan&Owende, 2010

Costo inicial de instalación de estanques

1,139. 65

US$/m de construcción

Costo inicial de instalación de estanques

132.50

US$/m de construcción

Superficie de los estanques

1,530

m

Suposición basada en la producción por estanque de Monthieu, 2010

Producción diaria biomasa

20,000

kg/día

Balance de masa, estudio actual

Producción anual biomasa

6,400,0 00

kg/año

Balance de masa, estudio actual

Producción de biodiésel

198.84

kg/día

Balance de masa, estudio actual

Producción de biodiésel

63,628 .48

kg/año

Balance de masa, estudio actual

Producción de biodiésel

72305. 09091

L/año

Balance de masa, estudio actual

Densidad de biodiésel

0.88

kg/L

Xu et al., 2006

2

Osorio, 2008

2

2

2

Osorio, 2008; Torres-Badillo, 2011

Superficie de la planta

2530

m

Suposición

Costo de inversión para la cosecha de microalgas

15,000

US$

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011

Costo de inversión para el secado de microalgas

25,040

US$

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011

Costo diario de operación del secado para microalgas

849.60

US$

Torres-Badillo&Flores-Tomalá, 2011

Costo de inversión para la extracción de aceite microalgal

40,453

US$

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011

Costo diario de operación para la extracción de aceite

679

US$

Torres-Badillo&Flores-Tomalá, 2011

Costo de inversión de la transesterificación

119,50 0

US$

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011

53

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

Costo anual de la transesterificación

0.05

% de la inversión

Subhadra &Edwards, 2011

Precio comercial de biodiésel

0.71

US$/L

Subhadra &Edwards, 2011

Consumo de energía eléctrica en la planta

0.2686

kWh/kg biodiesel

Salazar, 2012

Costo de energía

0.18

US$/kWh

CFE 2013

Precio de venta de glicerina

0.40

US$/kg

ICIS price report; 2010. .

Producción de glicerina

20,256

kg/año

Balance de masa, estudio actual

Precio de venta de harina de biomasa

2.80

US$/kg

Brennan&Owende, 2010

Producción de harina de biomasa

218,33 2.80

kg/año

Balance de masa, estudio actual

Precio de venta de omegas 3

2.00

US$/kg

Subhadra &Edwards, 2011

Producción de omegas 3

15,904

kg/año

Balance de masa, estudio actual

Tasa de crecimiento de la Chlorella vulgaris

0.54

día-1

Canedo et al., 2010

Vida útil

10

años

Suposición, basado en proyectos de inversión para el estado de Chihuahua

Inflación

4%

anual

www.eleconomista.com

Porcentaje de aumento en el Costo Energía

9%

anual

www.eleconomista.com

Porcentaje de aumento en el Costos Producción

5%

anual

www.eleconomista.com

Porcentaje de aumento en el Precio Venta

4%

anual

www.eleconomista.com

Eficiencia de la cosecha

95

%

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011

Eficiencia de la extracción

95

%

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2012

Eficiencia del secado

90

%

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2013

Eficiencia de la transesterificación

85

%

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2013

Porcentaje de humedad retirado en la cosecha

60

%

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2014

Porcentaje de humedad en el secado

10

%

Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2015

Porcentaje ideal de biomasa residual

70

54

Estudio actual

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C 2013

Porcentaje de lípidos presentes

30

Estudio actual

Porcentaje de PUFA

20

Jaramillo, 2010

Porcentaje SCFA

80

Jaramillo, 2010

5.4 ANÁLISIS DEL CÁLCULO DE LA HUELLA HÍDRICA DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL. La disponibilidad del agua es un requisito para el crecimiento de la biomasa y producción de biodiésel, es por esto que se debe tomar en cuenta al analizar todas las etapas que se siguen para la producción de biodiésel. Una herramienta que evalúa las necesidades de agua, es el concepto de huella hídrica. Esta herramienta ha sido introducida por Hoekstra et al., 2004. Se define como el volumen total de agua dulce usado para producir bienes y servicios consumidos. La metodología introducida por Hoekstra et al., 2011 ha sido refutada por el ISO/CD 14046, 2011, pero este estándar aún no se encuentra terminado. La huella hídrica de un producto suele ser la suma de toda el agua que se consume en las diversas fases de producción y, en general incluye el agua azul de la llamada apropiada de los recursos hídricos superficiales y subterráneas, el agua verde, que es la lluvia se consumen a través de la evapotranspiración del cultivo, y gris (o dilución) del agua, siendo el volumen de agua dulce necesaria para asimilar las emisiones al agua potable (Hoekstra et al., 2011). En la fase de recolección de datos es importante identificar las huellas hídricas a medir, azul, verde y gris, para seguir la metodología citada y poder hacer uso de las formulas proporcionadas. La huella hídrica se expresa en términos de volumen de agua por unidad de producto, como es el caso de este estudio es volumen por unidad de energía para la producción de biodiésel a partir de microalgas. Esto, nos llevara a la obtención de la huella hídrica de la producción de biodiesel a partir de microalgas. La metodología que se siguió para este cálculo es la de la ilustración 11:

Paso 1

Paso 2

Recolección de datos

Cálculo de demanda de energía

Paso 3

Paso 4

Cálculo de huelas hidricas siguiendo las ecuaciones

Suma de las huellas hidricas / demanda energetica

ILUSTRACIÓN 11. METODOLOGIA PARA EL CALCULO DE HUELLA HIDRÍCA.

55

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PASO 1. La recolección de datos se hizo a través de una intensiva búsqueda de los valores que se necesitan para las condiciones que se proponen para la producción de biodiésel a partir de microalgas y se muestran en la tabla 23. Dichas condiciones son:     

Estanques abiertos (10 estanques de 17m de longitud, 9m de ancho y profundidad 0.5m). Unidad funcional 20000kg de solución microalgal. Base de cálculo 1año. Porcentaje de lípidos obtenidos en base seca 30% Para obtener algunos de los datos fue necesario un balance de masa el cual se muestra a grandes rasgos en la siguiente figura.  Densidad del biodiesel 0.88kg/L  Por cada 3 kg de biodiésel se produce 1 de glicerina. TABLA 23. DATOS RECOLECTADOS PARA EL CÁLCULO DE LA HUELLA HIDRICA.

Dato

Unidad

Referencia

41

(kJ/kg de biodiésel)

Rakopoulos et al., 2006; Xu et al., 2006

0.0513

(gramos de masa seca/ gramos de masa total)

Balance de masa Elaboración propia

Fracción de lípidos en la masa seca (fl)

0.285

(gramos de lípidos/gramos masa seca total)

Balance de masa Elaboración propia

Fracción de biodiesel obtenida por unidad de lípidos (fb)

0.85

(gramos de biodiesel/ gramos de lípidos)

Balance de masa Elaboración propia

Tasa de evaporación

2.275

m m año

Precipitación

0.0549

m m- año

Poder calorífico del biodiesel a partir de microalgas (HHV) Fracción de masa seca de biomasa microalgal (DMFa)

Valor

3

-2

-1

3

1

-1

Clima Árido INEGI 2000 Clima árido INEGI 2000

PASO 2. Calculo de la demanda de energía necesaria para producir biodiesel (Smith, 2010). Se calcula con la siguiente formula: (1) Dónde: 56

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Eb: Demanda de energía requerida para la producción de biodiesel en MJ/gramos de biodiésel DMF: Fracción de masa seca de biomasa microalgal (gramos de masa seca/ gramos de masa total) fl: Fracción de lípidos en la masa seca (gramos de lípidos/gramos masa seca total) fb: Fracción de biodiesel obtenida por unidad de lípidos ( gramos de biodiesel/ gramos de lípidos) HHV: Poder calorífico más alto del biodiesel obtenido (MJ/kg de biodiesel)

PASO 3 Y 4. Se calculó la Huella Hídrica azul (WF,blue) en cada etapa, es un indicador del uso consuntivo de agua azul en los siguientes procesos: • • •

Evaporación (BWE – Blue water evaporation). Agua incorporada (BWI – Blue water incorporation). Flujo de retorno perdido (LRF - Lost return flow):

Siendo, la evaporación el uso más significativo del agua azul. La “Huella Hídrica” azul de una etapa o proceso se calcula mediante la siguiente expresión: (2) El agua verde es la precipitación que llega al suelo y que no se pierde por escorrentía, almacenándose temporalmente en la parte superior del suelo o en la vegetación. Por tanto, la huella hídrica” verde (WFgreen) es el volumen de agua de lluvia consumida durante el proceso de producción. La huella hídrica verde en una etapa o proceso es igual a: (3) Dónde: GWE: Es el agua verde evaporada GWI: Agua verde incorporada En la tabla 24 se muestra los resultados de la huella hídrica total en base al balance de masa los cuales se analizaran en la sección de resultados y discusión. TABLA 24. CALCULO DE HUELLA HÍDRICA POR ETAPA EN M

3

Etapa

BWE 3 (m )

BWI 3 (m )

LR 3 (m )

Wfazul 3 (m )

GWE 3 (m )

GWI 3 (m )

Wfverde 3 (m )

Wf verde + azul 3 (m )

Cultivo de microalga

2.275

0.5

0

2.775

0

0.0549

0.0549

2.8299

Cosecha

2.275

0

8.6

10.875

0

0.0549

0.0549

10.9299

Secado

2.275

0

10.37

12.645

0

0.0549

0.0549

12.6999

57

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Extracción de aceite

2.275

1.026

0

3.301

0

0.0549

0.0549

3.3559

Transesterificación

2.275

0.295346

0

2.570346

0

0.0549

0.0549

2.625246

El cálculo de la huella hídrica total se llevó a cabo mediante la ecuación (4), donde se suma la huella hídrica total de cada etapa y se divide entre la demanda de energía para la producción de biodiésel. ∑

(4)

La huella hídrica gris es un indicador del grado de contaminación del agua dulce en un determinado proceso. Se define como el volumen de agua dulce que se necesita para asimilar la carga de contaminantes, basados en las normas vigentes de calidad ambiental del agua. Se calcula como el volumen de agua que se requiere para diluir los contaminantes hasta el punto de que la calidad del agua ambiental se mantenga por encima de lo estipulado en las normas de calidad del agua. Para este estudio no se analizó la huella hídrica gris, lo cual se analizara en la sección de resultados y discusión (Hoesktra et al., 2011).

5.5 ANÁLISIS TEÓRICO DE CICLO DE VIDA DE LOS RESIDUOS QUE SE OBTIENEN EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL. En la ilustración se muestra los subproductos obtenidos por etapa.

ILUSTRACIÓN 12. PRINCIPALES SUBPRODUCTOS DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL.

Se analizó cada una de las etapas, entradas y salidas, se afirma que uno de los residuos de la producción de biodiésel es el glicerol. En este proceso se genera una gran cantidad de glicerina 58

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como subproducto, del orden de 30 Kg por cada 100 Kg de ésteres metílicos, lo que supone el 30 % del biodiésel producido (Chisti, 2007). Una vez refinada, el principal consumidor de la glicerina es la industria farmacéutica y cosmética. Con el fin de resolver la problemática del exceso de oferta de glicerina se han evaluado las siguientes alternativas, ( Aimmaretti, 2008):    

Utilizarla como combustible en calderas. Como fertilizante para suelos. Como suplemento en la producción de alimentos balanceados. Entre otras.

Otro de los residuos de la producción de biodiesel a partir de microalgas es la biomasa microalgal después de la extracción de lípidos. Los usos de la biomasa microalgal van desde a lo que se refiere a la industria farmacéutica donde varias microalgas se comercializan en forma de tabletas o en polvo en el mercado de alimentos saludables. Por ejemplo la Chlorella, tiene un alto valor nutricional, se utiliza como protección contra la insuficiencia renal. También se pueden encontrar especies de microalgas que pueden ser utilizadas como alimento para animales ya que tienen diversos aspectos beneficiosos, como la mejora inmunológica de respuesta, mejor fertilidad, un mejor control de peso, una piel más sana y brillante. Sin embargo solo puede ser en bajas concentraciones ya que de lo contrario podrían ser perjudicial, en especial las cianobacterias. Las algas son la fuente de alimento natural de muchas importantes especies acuáticas. De igual manera la biomasa microalgal puede ser utilizada como biofertilizante. En la industria de la medicina, también es ampliamente utilizada ya que posee una gran cantidad de proteínas y se usa para la fabricación de diversos medicamentos (Brennan & Owede 2010). Por ultimo están los ácidos grasos de cadena corta conocidos como omega 3 y esencialmente son conocidos por sus altas propiedades nutricionales para el ser humano que podrían ser competitivas con productos del mercado. TABLA 25. PRINCIPALES USOS DE LOS SUBPRODUCTOS

Subproducto

Harina de biomasa

Omegas Glicerina 59

Usos • •

Industria de alimento animal Producción de biogas y metanol • Cosméticos • Fertilizantes Complemento alimenticio • Farmacéutica

Sustitución de productos básicos como: • •

Harina de pescado, soya, canola Gas natural derivado de petróleo

Aceite de pescado Glicerina a partir de diésel

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• Industria química de pinturas Fuente: Elaboración personal basada en: Subhadra &Edwards, 2011.

5.6 IDENTIFICAR LOS PUNTOS CRÍTICOS EN LAS ETAPAS DE PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS Y POSIBLES ALTERNATIVAS DE MEJORA. Las diferentes opciones disponibles para la producción de biodiesel a partir de microalgas es cada vez más grande, de esto se desprende el escenario del por qué no es una alternativa aun viable, siendo tantas las alternativas que se tienen en cuanto a tecnologías usadas, es preciso observar detalladamente cada una de las etapas para identificar los puntos críticos que nos llevaran a que esta opción sea técnicamente y económicamente viable para que el biodiesel a partir de microalgas pueda ser competitivo en el mercado de los combustibles líquidos. Muchos autores han publicado una amplia gama de estimaciones de la energía necesaria y el rendimiento general de numerosas tecnologías. En un estudio reciente (Lohrey et al., 2011) se publican los valores de la demanda de energía para cada etapa de la producción de biodiésel como se observa en el gráfico 3. Otros autores también se han dedicado a la búsqueda de las etapas críticas en la producción de biodiésel y como es evidente ver en la gráfica 3, es la etapa de secado la que consume de 2 a 3 veces más energía que cualquier otra etapa. Esto dependerá de la tecnología usada, pero en si solo el secado puede consumir más energía que la que contienen los lípidos de las microalgas (Lardon et al., 2009); (Cooney et al., 2011) & (Sialve et al., 2009). Las estimación pueden varían en más de un 100%, pero todos los estudios confirman que la etapa de secado es la principal limitante en el avance del desarrollo de la producción de biodiesel a partir de microalgas.

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GRÁFICO 3. COMPARACIÓN DE ESTUDIOS DE LA DEMANDA DE ENERGÍA PARA LAS ETAPAS DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL POR VARIOS AUTORES

Fuente: Lohrey, 2012 La comparación que se hace de las diferentes tecnologías usadas para el secado de la biomasa microalgal en la sección 5.2.3 indica que los métodos convencionales, como son el secado por atomización y el secado por tambor rotatorio, funcionan. El secado solar promete ser una alternativa factible en cualquiera de sus tipos, directo o indirecto. Esto dependerá de la zona donde se desee usar y del uso que se le den a los subproductos de la producción de biodiesel a partir de microalgas. Un secador solar es un equipo o instalación que utiliza la radiación solar como fuente de energía para disminuir la humedad del producto o material a secar. Los secadores, al igual que los calentadores solares, utilizan el efecto invernadero como trampa de calor. (Pérez, 2006) En dependencia de cómo es trasmitida esta energía al producto, pueden clasificarse en:  Secadores de radiación. o Solar directa. o Radiación infrarroja.  Conducción de calor.  Convección de calor. Esta clasificación es convencional y en la mayoría de los secadores la transferencia de calor es por conducción, convección y radiación combinadas. No obstante, según el diseño, una forma de 61

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transferencia de calor al producto es preponderante y de ahí la validez de dicha clasificación (Pérez, 2006).

Secado solar

Secado directo al sol

Secado indirecto o controlado

Modo pasivo

Modo activo

(Convección natural)

(Convección forzada)

ILUSTRACIÓN 13.CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE SECADO SOLAR.

En zonas donde se cuenta con los más altos índices de irradiación solar, como el norte de México, el secado solar es lo más viable, ya que cuenta con un alto porcentaje de vaporización que va del 90% al 95% y dado que el sol es un recurso natural, el principal costo es el de la fabricación e instalación de los componentes del sistema. Es por esto que la alternativa que se propone es la modelación de un sistema de secado por convección forzada.

ILUSTRACIÓN 14. SECADO SOLAR POR CONVECCIÓN FORZADA

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El secador solar por convección de calor transmite el calor, como su nombre lo indica, principalmente por el movimiento del aire caliente; por ello en este tipo de instalación la radiación solar es captada por calentadores de aire y después éste pasa a través del producto, donde eleva la temperatura y evapora el agua de la superficie. Este mismo aire arrastra la humedad del producto y produce su secado. Estos secadores pueden ser de convección natural o forzada. En el secador por convección natural, al calentarse el aire se hace más ligero y asciende, con lo que crea corrientes de aire seco que extraen la humedad del objeto que se va a secar. En el secador por convección forzada, el aire se mueve con el auxilio de ventiladores. El secador solar de convección es el más usado, ya que tiene las siguientes ventajas:     

El secado del producto es más uniforme; La calidad del producto es mejor, al no incidir sobre él la radiación solar directa; La cámara de secado puede ser de mayor capacidad con relación al volumen que ocupa; La manipulación del producto es generalmente más fácil por estar más concentrado; El control de los parámetros de secado es más sencillo, ya que puede regularse por medio del aire (Pérez, 2006).

La optimización del flujo requerido de aire es importante, ya que es el aire en contacto con el producto el encargado de extraer su humedad. La temperatura inicial de la corriente de aire desciende conforme avanza en el secador. A lo largo de su recorrido en el secador el aire aumenta su humedad relativa. Para un proceso de secado ideal, esta humedad relativa debe llegar a ser lo más próxima posible a la humedad de saturación. Los componentes de velocidad son gobernados por las ecuaciones de conservación de cantidad de movimiento lineal, las cuales son casos particulares de la ecuación general diferencial de convección - difusión. Para determinar estas variables la dificultad yace en encontrar los campos de velocidad y presión solamente con las ecuaciones de momentum (Patankar, 1980). La metodología que se siguió en este punto, además de la búsqueda y comparación de literatura, se cita a continuación con una serie de pasos:

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ILUSTRACIÓN 15. METODOLOGÍA PARA EL MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIÓN FORZADA.

Para el modelado de la cámara de secado se pueden llevar a cabo las siguientes suposiciones:       

La fase sólida solo tiene dos componentes biomasa y agua. Se supone una concentración media de agua en la biomasa. La fase gaseosa se comporta como gas ideal La presión es constante en toda la cámara de secado. La temperatura de la biomasa es homogénea. La difusión de agua en el interior del solido se produce en una sola dirección. No se considera el calor de radiación y conducción.

Las variables que intervienen en la cámara de secado son las que se muestran en la ilustración 15:

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ILUSTRACIÓN 16. PROCESO DE SECADO

Dónde: Tge: Temperatura del gas de entrada (aire) Fge: Flujo del gas de entrada (aire). Tbe: Temperatura de la biomasa de entrada. Fbe: Flujo de la biomasa de entrada. Tgs: Temperatura del gas (aire) de salida. Fgs: Flujo de gas (aire) de salida. Tbs: Temperatura de la biomasa de salida. Fbs: Flujo de la biomasa de salida. Los fenómenos de transferencia de energía y de humedad en el secado solar son complejos ya que en éstos influyen variables como la intensidad de la radiación solar, la temperatura, la humedad relativa, la velocidad del aire, el contenido de humedad y el espesor de la capa de biomasa, caso en el cual interviene la frecuencia utilizada para revolver la biomasa (Martínez & Álvarez, 2006). El secador es de tipo Indirecto, usando una cámara de secado separada, sin acceso para la radiación, lo cual resulta beneficioso en el caso de productos cuya calidad se ve perjudicada por la acción de la radiación (Restrepo & Burbano, 2005). Las principales ecuaciones utilizadas para el secado son las siguientes (Pakowski & Mujumdar, 2007): Balance de materia: En la fase solida (biomasa):

𝑋 −

𝑋 −𝜔

𝐴

𝑚

𝑑𝑋 𝑑𝜏

𝐴

𝑚

𝑑𝑌 𝑑𝜏

(5)

En la fase gas (aire):

𝑌 −

𝑌 − 𝜔

Balance de energía: 65

(6)

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En la fase solida (biomasa):

(∑𝑞 − 𝜔

−

ℎ )𝐴

𝑚

𝑑 𝑑𝜏

En la fase gas (aire):

−

(∑𝑞 − 𝜔

ℎ )𝐴

𝑚

(7)

𝑑 𝑑𝜏

(8)

Dónde: Ws= Flujo másico solido (kg/s) X= Humedad contenida por base seca kg/kg 𝜔 =Velocidad de secado del solido (kg/ m2s) ms= masa del solido (kg) 𝜏=Tiempo (s) hA= Entalpía (kJ/kg) A= Área de contacto de fases (m2) WB= Flujo másico del gas (kg/s) Y=Humedad absoluta por base seca (kg/kg) 𝑚 = Masa del gas (kg) qm=Flujo de calor (kW/m2 ) =Valor medio flujo másico del solido =Valor medio flujo másico del gas =Entalpía del solido húmedo =Entalpia del gas húmedo Programas utilizados para la simulación y diseño de equipos podrían ser utilizados para la optimización y simulación de un sistema acoplado para este trabajo.

5.7 EVALUACIÓN TEÓRICA DE LOS COSTOS. Dentro de este escenario, en el que los precios del petróleo están al alza, la viabilidad del biodiesel a partir de microalgas es más factible. Sin embargo, la limitante principal continúa siendo el costo de la producción de biomasa como lo han indicado previamente varios autores (Chisti, 2008; Schenk et al., 2008; Rodolfi et al., 2009; Garibay et al., 2009). Dentro de este contexto, la mayoría de los trabajos que han evaluado esta situación a nivel internacional (Milledge, 2010), coinciden en dos puntos como requisitos esenciales para que este proceso sea competitivo; el costo de producción de la biomasa debe ser menor a $1.00 US$/kg de biomasa microalgal. En este estudio se analizaran los siguientes aspectos para evaluación de su factibilidad económica:

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 Datos reales, resultados de la experimentación con relación al contenido de lípidos en la cepa a utilizar en este caso la Chlorella vulgaris.  Se deben producir simultáneamente una serie de coproductos de alto valor agregado a partir de la biomasa residual que queda después de la extracción del aceite.  Considerar que a gran escala, los fotobiorreactores presentan numerosos problemas de operación. Se estima una vida útil de 10 años para el estudio, que se considerará a partir desde que las instalaciones físicas, eléctricas y demás estén funcionando. Este valor puede ser variable dependiendo del mantenimiento que se realice. Además se considerará una tasa anual de 12% de interés, la misma que se utiliza en proyectos de gran escala. Para la evaluación técnica económica se debe considerar la inversión del proyecto, los costos anuales de operación y mantenimiento; así también como gastos varios por cualquier problema económico que se presente (Rubiales-Casal, 2011; Monthieu, 2010; Torres-Badillo&Flores-Tomalá, 2011). La metodología que se siguió en este objetivo específico es la que se muestra en la ilustración 15:

1. Análisis de datos y supocisiones

2. Hacer una lista de los costos e ingresos

3. Realizar el análisis mediante la hoja de calculo Excel

ILUSTRACIÓN 17. METODOLOGÍA PARA LA EVALUACIÓN TEÓRICA DE LOS COSTOS.

Se hizo el análisis de costos para la alternativa de secado solar por convección que se hizo y se comparó con un análisis de costos utilizando secado convencional por spray.

5.7.1 ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO Para realizar el análisis económico del proyecto de obtención de biodiesel se va usar una proyección de 10 años, con una tasa del 12% de interés. Para se aplicó el método del VAN (valor actual neto), se calculó la TIR (tasa interna de retorno) y se hizo un análisis de sensibilidad en relación al aumento de los costos de producción, costos de energía e ingresos.

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5.7.1.1. M ÉTODO DEL VAN (V ALOR ACTUAL NETO ) Permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros, originados por una inversión. La metodología consiste en descontar al momento actual (es decir, actualizar mediante una tasa) todos los flujos de caja futuros del proyecto. A este valor se le resta la inversión inicial, de tal modo que el valor obtenido es el valor actual neto del proyecto. El método de valor presente es uno de los criterios económicos más ampliamente utilizados en la evaluación de proyectos de inversión. Consiste en determinar la equivalencia en el tiempo 0 de los flujos de efectivo futuros que genera un proyecto y comparar esta equivalencia con el desembolso inicial. Cuando dicha equivalencia es mayor que el desembolso inicial, entonces, es recomendable que el proyecto sea aceptado. Para aplicar este método se necesita la inversión total del proyecto, los costos anuales de operación y mantenimiento, los ingresos anuales; para luego proyectarlos a 10 años al 12% de interés

5.7.1.2. M ÉTODO DE LA TIR Se denomina Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R.) a la tasa de descuento que hace que el Valor Actual Neto (V.A.N.) de una inversión sea igual a cero. (V.A.N. =0). Este método considera que una inversión es aconsejable si la T.I.R. resultante es igual o superior a la tasa exigida por el inversor, y entre varias alternativas, la más conveniente será aquella que ofrezca una T.I.R. mayor. La T.I.R. es un indicador de rentabilidad relativa del proyecto, por lo cual cuando se hace una comparación de tasas de rentabilidad interna de dos proyectos no tiene en cuenta la posible diferencia en las dimensiones de los mismos. Una gran inversión con una T.I.R. baja puede tener un V.A.N. superior a un proyecto con una inversión pequeña con una T.I.R. elevada (Zona Económica, 2011).

5.7.1.3 S ENSIBILIDAD El Análisis de Sensibilidad busca medir cómo se afecta la rentabilidad de un proyecto, cuando una o varias variables que conforman los supuestos, bajo los cuales se elaboraron las proyecciones financieras, se modifican (Briceño, 2011).

5.8 PROPONER UNA ALTERNATIVA DE USO DE LOS RESIDUOS PARA DAR VALOR AGREGADO AL PROCESO . Una vez obtenido el balance de materia en la sección 5.3 y analizando las salidas de los subproductos que tienen un alto valor en el mercado. Se puede proponer un uso para estos residuos. El contenido en peso de lípidos que tiene la microalga es del 30%, por ello se supone que el otro 70% es harina de biomasa que contiene aminoácidos, carbohidratos y proteínas. La glicerina se obtiene en una relación 3:1 respecto al biodiesel según la ecuación: 68

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1 ACEITE + 3 METANOL

3 AQUILESTERES + 1 GLICERINA

Jaramillo, 2011 hace una caracterización de los lípidos que se extraen de la microalga, como se muestra en la tabla 26. Se sabe que el biodiésel tiene la desventaja de poseer ácidos grasos poliinsaturados. Es por esto que si retiramos esos ácidos grasos del proceso tendremos un biodiesel de mayor calidad y de esta manera obtener un subproducto de ácidos grasos poliinsaturados que pueden ser convertidos a ácidos omegas 3. Los lípidos de las microalgas son principalmente ésteres de glicerol formados por ácidos grasos con cadenas constituidas de 14-20 átomos de carbono. Estos ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados, y es justamente la presencia de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) como: ácido eicosapentaenoico (20:5 ω-3), ácido arachidónico (20:4 ω-3), ácido linoleico (18:2 ω-6) y ácido linolénico (18:3 ω-3) que hacen extremadamente interesante el cultivo de estos microorganismos. En relación a los principales efectos, estos ácidos tienen importantes aplicaciones terapéuticas: reducción del colesterol en sangre, protección frente a las enfermedades coronarias y cardiovasculares, disminución de procesos inflamatorios crónicos, mejoría de la visión, favorecimiento del desarrollo neurológico infantil. Aumentar su contenido dentro de la célula resulta por lo tanto, interesante para algunos empleos comerciales. Los triglicéridos son los lípidos de reserva por excelencia, pudiendo llegar a constituir hasta el 80% del total de la fracción lipídica total (Borowitzka, 1988) Y se acumulan principalmente en forma de gotitas de aceite en el interior del citoplasma. Las otras clases de lípidos están representadas principalmente por lípidos polares que son componentes importantes de la membrana citoplásmica y la membrana tilacoidal que constituyen los cloroplastos. Entre los lípidos polares encontramos los fosfolípidos y galactolípidos en porcentaje variable según las especie. TABLA 26. COMPOSICIÓN (%) DE LOS ÁCIDOS GRASOS DE LA FRACCIÓN LIPÍDICA EXTRAÍDA DE CHLORELLA VULGARIS DESPUÉS DE SIETE DÍAS DE CULTIVO EN EL MEDIO DE CONTROL. (JARAMILLO, 2011)

Ácidos grasos Totales saturados Totales monoinsaturados Totales poliinsaturados

Composición (%) 40% 40% 20%

El incremento de los triglicéridos respecto a todas las otras fracciones lipídicas es a lo que se apunta cuando las microalgas se usan como biomasa para la producción del biodiesel. El producto de partida de la transesterificación son los triglicéridos. Una vez obtenidas las cantidades producidas se obtuvo el dato de los precios de los subproductos y se someten a valoración en la sección de análisis teórica de costos para que den un valor agregado al proceso.

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6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1. La microalga seleccionada para este estudio es Chlorella vulgaris ya que contiene 30% de lípidos en base a su peso seco, en promedio, y ha sido una de las microalgas más utilizadas, sobre la cual se pueden encontrar datos relevantes y fiables, además de que su acceso no está limitado. Se produce fundamentalmente por medio de tanques de cultivo abiertos, se adapta a cualquier tipo de cultivo. Son capaces de mantener elevadas tasas de crecimiento en sistemas abiertos. Además de que tiene metabolitos de interés para los subproductos que se generen. 2. De acuerdo a un análisis de ciclo de vida teórico, donde se toman en cuenta las principales entradas y salidas se seleccionaron las mejores tecnologías para cada uno de las etapas de producción de biodiesel.  Cultivo en estanque: por su facilidad de manejo y su bajo costo, además de que es una técnica que se ha usado a nivel comercial y la microalga seleccionada se ha probado en este nivel.  Centrifugación: Es el método con más alto porcentaje de separación mayor al 95%, es un método rápido y sencillo además de que no produce residuos tóxicos.  Secado solar: El secado solar promete ser una alternativa factible en cualquiera de sus tipos, directo o indirecto. Esto dependerá principalmente de la zona donde se desee usar y del uso que se le den a los subproductos de la producción de biodiesel a partir de microalgas. En zonas donde se cuenta con los más altos índices de irradiación solar, como el norte de México, el secado solar es altamente factible, ya que se cuenta con un alto porcentaje de vaporización que va del 90% al 95% y dado que el sol es un recurso natural, el principal costo es el de la fabricación e instalación de los componentes del sistema.  Prensado y extracción con disolvente: Es la técnica más ampliamente usada, juntos pueden alcanzar un porcentaje de aceite del 95%, y con un uso adecuado de los residuos es la opción más viable para la extracción de aceites. 3. En el balance de masa se tuvieron los siguientes resultados: basado en una base de cálculo se supone que entra una carga de 20,000 kilogramos de solución microalgal a la cosecha donde es tratada por centrifugación con un porcentaje de separación del 95% y obteniendo un porcentaje de humedad del 60%. Al proceso de secado con una eficiencia del 90% entran 11,400 kilogramos de biomasa húmeda y se le retira un porcentaje de humedad del 90%. Al proceso de extracción de aceite que tiene una eficiencia del 95% entran 292.41 kilogramos que idealmente son el 30% de la composición de lo que sale del secado. El otro 70% es la harina de biomasa que sale como subproducto. 4. Según la SAGARPA (ver anexo 2) en un periodo de 5 meses en el 2011, en Chihuahua, se tuvo un consumo de diésel de 24,067,225 litros de diésel en el sector agropecuario. Para surtir la demanda diaria de 200, 560 litros de diésel en la ciudad de Chihuahua es 70

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necesaria un área de aproximadamente 135 hectáreas. Lo cual se deduce de la siguiente manera: (𝑚 )

𝑑

(9)

Dónde: ρ=Densidad del biodiésel (kg *L-1) Demanda=Biodiésel requerido (L *día-1) Tasa de producción=Cantidad de biodiésel que se obtiene por unidad de biomasa (kg de biodiésel *kg de biomasa -1) Tasa de cultivo=Cantidad de biomasa producida por unidad de área de cultivo (kg de biomasa*m-2) 5. Varios autores coinciden en que la huella hídrica total para el proceso de producción de biodiésel a partir de microalgas es baja, en comparación con otras materias primas. En la tabla 27 se observan las huellas hídricas de diferentes materias primas utilizadas en la producción de biodiesel. Los problemas con los biocombustibles de primera generación en términos de beneficio del medio ambiente, y la intensidad de los recursos están bien documentados mientras que los impactos ambientales y limitaciones de los biocombustibles a base de microalgas son objeto de continua investigación. Para cuantificar los impactos en los recursos hídricos de los biocombustibles a partir de microalgas la suma de las huellas hídricas azul y gris. Para este estudio se utilizó la ecuación 8$) para obtener el valor de la huella hídrica total, donde el valor de la demanda de energía fue de 0.51 kJ/kg biodiésel y una sumatoria de las huellas hídricas azul y verde de 32.9 m3. Para obtener un valor de WF total de 63.67m3/ kJ de biodiésel por año de producción. TABLA 27. HUELLA HÍDRICA DE DIFERENTES MATERIAS PRIMAS Y SU MÉTODO DE CÁLCULO.

Materia Prima

Tipo de huella hídrica

Huella hídrica total 3 (m agua/kJ biodiésel)

Referencia

Coco

Wfazul+Wfverde

4723

Mekonnen et al., 2011

Cacahuates

Wfazul+Wfverde

188

Mekonnen et al., 2011

Aceite de palma

Wfazul+Wfverde

150

Mekonnen et al., 2011

Colza

Wfazul+Wfverde

165

Mekonnen et al., 2011

Semilla de algodón

Wfazul+Wfverde

487

Mekonnen et al., 2011

Soja

Wfazul+Wfverde

287-337

Dominguez-Faus et al., 2009

Girasol

Wfazul+Wfverde

449

Mekonnen et al., 2011

Microalgas Sistema abierto

Wfazul+Wfverde

14-87

Harto et al., 2010

71

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Microalgas Sistema abierto

Wf total (CV)

30*

Vasudevan et al., 2012

Microalgas Sistema cerrado

Wf total (CV)

1-2

Harto et al., 2010

Microalgas Sistema abierto

Wfazul+Wfverde

63.67

Estudio actual

El estudio actual mostró una huella hídrica total de 63.67 m3/kJ de biodiesel, el cual es un indicativo del consumo de agua para la producción de biodiesel, sin embargo no aporta información para la toma de decisiones en la optimización del proceso. El concepto de “huella” implica la medición de la cantidad total de impactos al ambiente producidas directa o indirectamente por productos o procesos en todas las etapas de su ciclo de vida. Sin embargo, esta metodología utilizada no los toma en cuenta. La carencia de una metodología estandarizada a nivel global que ayude a reportar la huella de agua, ha llevado a la Organización Internacional de Estandarización, ISO por sus siglas en inglés (International Organization for Standardization), a realizar trabajos de investigación para elaborar una norma de huella de agua para la familia ISO 14000. La ISO es una federación mundial que agrupa a representantes de cada uno de los organismos nacionales de estandarización, y tiene como objetivo desarrollar estándares internacionales que faciliten el comercio internacional. Esta metodología utilizada en este estudio, no es factible ya que al sólo considerar volúmenes requiere de un análisis más profundo y estandarizado para la toma de decisiones. La metodología de la huella hídrica que se utiliza en el estudio cuenta con importantes cantidades de agua de un inventario de agua azul, gris y verde que son agregados en un valor total. En este sentido no se puede afirmar que dos productos, en este caso dos materias primas para la producción de biodiesel, que tienen la misma huella de agua sean iguales, por ejemplo: es necesario tomar en consideración que el agua azul extraída de un pozo tiene mayores impactos al ambiente que el agua azul tomada por gravedad de una presa; o que el agua gris generada en una zona árida, impactará más que el agua gris existente en una zona de alta incidencia pluvial, que permite la disolución de contaminantes. En términos de volumen, utilizar una menor cantidad en áreas de escasez hídrica puede ser más relevante que una cantidad mayor en zonas de alta disponibilidad hídrica (Berger y Finkbeiner, 2010). El concepto de “huella” desde su origen, implica la medición de la cantidad total de impactos al ambiente producidas directa o indirectamente por personas, productos o procesos en todas las etapas de su ciclo de vida. De modo tal que la suma de los volúmenes de agua no puede ser considerada como una huella. Es necesario transformar estos volúmenes de agua en impactos ambientales para que esto pueda ser reportado como huella de agua (ISO/CD 14046,2011).

72

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Es por esto que se recomienda que para futuro trabajos se utilice la metodología para el cálculo de huella de agua ISO/CD 14046. Tal como se muestra en la siguiente figura y propone Farell, 2013.

ILUSTRACIÓN 18. METODOLOGÍA DE CALCULO DE HUELLA DE AGUA POR FARELL, 2013.

Esta metodología lleva a cabo la evaluación de huella de agua mediante el uso de análisis de ciclo de vida, utilizando la categoría de impacto intermedia de ecotoxicidad acuática crónica del agua dulce del modelo USEtox, la cual es integrada al impacto de escasez a través del grado de presión hídrica de la región donde se extrae el recurso. Una aportación importante, es el indicador en [volumen de agua impactada / unidad funcional], que cierra la brecha de comunicación entre audiencias técnicas y los tomadores de decisiones no expertos. De este modo se obtiene una metodología completa y clara que evalúa no solo el volumen de agua utilizado, sino también los impactos ambientales provocados por su uso, así como la escasez de agua que provoca el proceso evaluado. Otra ventaja de la metodología propuesta es proporcionar los resultados para cada etapa del ciclo de vida de un producto. 73

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6. El análisis de los subproductos que se obtienen de la producción de biodiésel a partir de microalgas muestra ventajas claras para el multipropósito para alcanzar una rentabilidad operativa y una sustentabilidad industrial del proceso. Los principales subproductos que son: harina de biomasa, aceites omegas y glicerina. La búsqueda de nuevos mercados y sectores donde integrar estos subproductos es necesaria para integrarlo al beneficio de costos para que el biodiésel sea competitivo. La alternativa que se propone es dar un precio comercial a los subproductos para que sean comercializados y den un valor agregado a los ingresos. Con un precio de venta de 5.13$/kg de glicerina, 33$/kg para la harina de biomasa y 25.66 $/kg para los omegas 3. 7. La etapa del proceso de producción de biodiesel que más energía consume es la etapa del secado y puede representar más del 60% del costo total de la producción. Por esto es necesario una metodología de secado que proporcione los menores costos de producción. La alternativa que se propone es secado indirecto o controlado. En el secado por convección forzada, el aire calentado por medio de colectores solares se hace pasar por una cámara de secado donde se encuentra la biomasa microalgal. 8. Si bien existen aspectos tecnológicos a desarrollar para abaratar costos, las microalgas ofrecen muchas posibilidades. Por ejemplo, para este análisis se hizo la suposición de que luego de extraer el aceite el resto de la biomasa, rica en proteínas e hidratos de carbono, podría utilizarse como un subproducto de venta, así como también la glicerina y los ácidos grasos obtenidos. Los resultados del análisis económico se dividen en costos de operación, de producción y costos de energía, así como también se tomaron en cuenta los ingresos que se tendrían si se utilizan los subproductos para tener un ingreso. El cálculo del costo de la energía se hizo basado en los resultados mostrados en la tabla 28 donde se muestra la potencia de los equipos requeridos, llevados a escala de este análisis, y basado en el costo actual de la energía eléctrica en Chihuahua. TABLA 28. POTENCIA REQUERIDA PARA EL CÁLCULO DE EL COSTO DE ENERGÍA PARA LA PRODUCCION DE BIODIÉSEL.

Equipo

Potencia (kW)

Horas operación (h)

kWh

Unidades

Fuente

Balanza

0.02

0.5

0.01

kWh/kg de biodiésel

Salazar, 2012

Autoclave

1.5

2

3

kWh/kg de biodiésel

Salazar, 2012

Blower

0.19

16

3.04

kWh/kg de biodiésel

Salazar, 2012

Esterilizador

0.04

16

0.64

kWh/kg de biodiésel

Salazar, 2012

Transesterificación

11.15

8

89.2

kWh/kg de biodiésel

Bomba

2

16

32

kWh/kg de biodiésel

Centrifugación

9.85

16

285

kWh/kg biomasa

74

Zapata et al., 2007 Salazar, 2012 Zapata et al., 2007

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Con un costo de energía de 2.31$* kWh-1 y una producción total anual de 63,628.48 kg*año-1 se obtiene un costo de energía en el primer año de $ 280,084. Para los costos de inversión se tienen los resultados expuestos en la tabla 29, con un costo total de inversión de $5, 374, 756: TABLA 29. COSTOS DE INVERSIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL

COSTO INICIAL Unida Valor des 2,808,8 $ 46

Descripción Costo de inversión para el cultivo de microalgas Costo de inversión para la cosecha de microalgas Costo de inversión para el secado de microalgas Costo de inversión para la extracción de aceite microalgal

192,450

$

321,263

$

519,011 $ .99 1,533,1 Costo de inversión de la transesterificación $ 85 Total del costo inicial $ 5,374,756.19

Referencia Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011 Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011 Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011 Monthieu, 2010; Torres-Badillo&FloresTomalá, 2011

Los resultados de los costos de operación son los mostrados en la tabla 30: COSTO OPERACIÓN Descripción

Valor

Unidades

Costo anual para el secado de microalgas

3,488,118

$/año

Costo anual para la extraccion de aceite microalgal

2,787,784.51

$/año

76,659

$/año

Costo anual de la transesterificación Total del costo anual $ 6,352,561.52 $/año

Para el cálculo de flujos de efectivo y T.I.R, con una tasa de interés bancario del 12% y una vida útil de 10 años se tomaron en cuenta los siguientes factores a partir del final del año 1: TABLA 30. DATOS PARA EL CÁLCULO DEL ANÁLISIS ECONÓMICO

Datos

Valor

Inflación

4%

anual

www.eleconomista.com

Aumento en el Costo Energía

9%

anual

www.eleconomista.com

Aumento en los Costos Producción

5%

anual

www.eleconomista.com

75

Fuente

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Aumento en el Precio Venta

76

4%

anual

www.eleconomista.com

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Los resultados del flujo de efectivo son los que se muestran en la tabla 31: TABLA 31. FLUJOS DE EFECTIVO DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL. FLUJO DE EFECTIVO Costo Inicial Costo Producción Costo Energía

Año 0

Año 1

Año 2

Año 3

Año 4

Año 5

Año 6

Año 7

Año 8

Año 9

Año 10

-$5,374,756

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-$ 6,352,562 -$ 280,085 $ 8,584,653 $ 1,952,007

-$ 6,670,190 -$ 305,292 $ 8,928,040 $ 1,952,558

-$ 7,003,699 -$ 332,769 $ 9,285,161 $ 1,948,694

-$ 7,353,884 -$ 362,718 $ 9,656,568 $ 1,939,966

-$ 7,721,578 -$ 395,362 $ 10,042,830 $ 1,925,890

-$ 8,107,657 -$ 430,945 $ 10,444,543 $ 1,905,941

-$ 8,513,040 -$ 469,730 $ 10,862,325 $ 1,879,555

-$ 8,938,692 -$ 512,006 $ 11,296,818 $ 1,846,121

-$ 9,385,627 -$ 558,086 $ 11,748,691 $ 1,804,978

-$ 9,854,908 -$ 608,314 $ 12,218,639 $ 1,755,417

-

Ingresos

-

Sumatoria

-$5,374,756

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Se muestran los valores en el gráfico 4:

GRÁFICO 4. FLUJOS DE EFECTIVO DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL UTILIZANDO SECADO SOLAR POR CONVECCIÓN FORZADA.

El valor de T.I.R fue de 34% y un valor neto actual de $4,834,761. Esto demuestra que la producción de biodiésel a partir de microalgas es teóricamente factible. Los flujos de efectivo, usando el secado convencional se muestran en la tabla 32 y se pueden apreciar en el grafico 5.

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TABLA 32. FLUJOS DE EFECTIVO DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL USANDO SECADO CONVENCIONAL POR SPRAY. FLUJO DE EFECTIVO

Costo Inicial

Año 0

Año 1

Año 2

Año 3

Año 4

Año 5

Año 6

Año 7

Año 8

Año 9

Año 10

-$ 5,873,497

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

$8,697,7 69 $305,292 $8,928,0 40

$9,132,6 57 $332,769 $9,285,1 61

$9,589,2 90 $362,718 $9,656,5 68

$10,068,7 55

$10,572,1 92

$11,100,8 02

$11,655,8 42

$12,238,6 34

$12,850,5 66

-$395,362

-$430,945

-$469,730

-$512,006

-$558,086

-$608,314

$10,042,8 30

$10,444,5 43

$10,862,3 25

$11,296,8 18

$118,130

$225,529

$342,968

-$471,191

-$610,993

-$763,226

-$928,800

$11,748,6 91 $1,108,68 8

$12,218,6 39 $1,303,93 3

Costo Producción

-

-$ 8,283,589

Costo Energía

-

-$280,085

Ingresos

-

$8,584,65 3

Sumatoria

-$ 5,873,497

-$20,077

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GRÁFICO 5. FLUJOS DE EFECTIVO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL UTILIZANDO SECADO CONVENCIONAL POR SPRAY.

Se observó claramente que el análisis de costos para la producción de biodiésel para secado convencional por spray tiene un aumento en los costos de producción e inversión. Dando con esto un valor neto actual negativo de -$7,572,326 y el proyecto no regresa una T.I.R. Por lo que se puede concluir que el proceso de producción de biodiésel utilizando secado convencional por secado no es factible.

GRÁFICO 6. COMPARACIÓN DE FLUJOS DE EFECTIVO DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL CON DOS DIFERENTES TIPOS DE SECADO.

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El grafico 6 muestra la comparación de la sumatoria de los flujos de efectivo, es decir el beneficio bruto que se genera en cada caso. Es evidente observar que el análisis de costos de producción de biodiésel utilizando secado solar por convección forzada es factible frente al análisis de costos de producción de biodiésel utilizando secado convencional por spray. El análisis de sensibilidad se hizo en base a los aumentos anuales del costo de energía, el costo de producción y el costo inicial, además de los ingresos, tomando como mínimo la inflación del año 2013 para los costos de producción e ingresos, y para la energía los aumentos en porcentaje según www. Eleconomista.com, tal como se muestra en la tabla 33. TABLA 33. PORCENTAJE DE AUMENTO DE LOS COSTOS DE PRODUCCIÓN, ENERGÍA E INGRESOS PARA EL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD.

Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

Aumento en el Costo de producción 0% 5% 7% 9% 11%

Aumento en el costo de energía 0% 9% 12% 15% 18%

Aumento en los ingresos 0% 4% 6% 8% 10%

Para el cada caso se presentan las sumatorias de flujos de efectivo en la tabla 34 y seguido de esta se muestran los gráficos para cada caso.

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TABLA 34. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA TODOS LOS CASOS. Caso 1 2 3 4 5

Año 0 -$ 5,374,756 -$ 5,374,756 -$ 5,374,756 -$ 5,374,756 -$ 5,374,756

82

Año 1 $ 1,952,007 $ 1,952,007 $ 1,952,007 $ 1,952,007 $ 1,952,007

Año 2 $ 1,952,007 $ 1,952,558 $ 1,988,797 $ 2,025,036 $ 2,061,276

Año 3 $ 1,952,007 $ 1,948,694 $ 2,021,331 $ 2,095,249 $ 2,170,450

Año 4 $ 1,952,007 $ 1,939,966 $ 2,048,800 $ 2,161,466 $ 2,278,026

Año 5 $ 1,952,007 $ 1,925,890 $ 2,070,296 $ 2,222,297 $ 2,382,134

Año 6 $ 1,952,007 $ 1,905,941 $ 2,084,802 $ 2,276,119 $ 2,480,469

Año 7 $ 1,952,007 $ 1,879,555 $ 2,091,176 $ 2,321,032 $ 2,570,210

Año 8 $ 1,952,007 $ 1,846,121 $ 2,088,141 $ 2,354,826 $ 2,647,924

Año 9 $ 1,952,007 $ 1,804,978 $ 2,074,271 $ 2,374,932 $ 2,709,450

Año 10 $ 1,952,007 $ 1,755,417 $ 2,047,969 $ 2,378,373 $ 2,749,774

TIR

VNA

34%

$5,048,678

35%

$5,403,813

35%

$5,466,093

37%

$6,147,137

39%

$6,881,085

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GRÁFICO 7. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CASO 1.

GRÁFICO 8. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CASO 2.

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GRÁFICO 9. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CASO 3.

GRÁFICO 10. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CASO 4.

84

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GRÁFICO 11. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CASO 5.

Es claro observar para cada uno de los casos que la influencia del aumento de los egresos e ingresos es significativa ya que de ello dependerá la factibilidad del proceso de producción de biodiésel. Para todos los casos es evidente que mientras el aumento en el precio de venta para producir ingresos sea creciente habrá un beneficio bruto. 9. Los ingresos que se obtiene de la producción de biodiésel son los que se muestran en la tabla: TABLA 35. INGRESOS DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL

INGRESOS

85

Descripción

Valor

Unidades

Ingreso por venta de biodiésel

867,661

$/año

Ingreso por venta de glicerina

103,913

$/año

Ingreso por venta de harina de biomasa

7,204,982

$/año

Ingreso por venta de omega 3

408,096

$/año

Total de ingresos

8,584,653

$/año

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7. CONCLUSIONES 1. Para la producción de biodiésel, las microalgas pueden ser una de las mejores alternativas de materia prima dadas las ventajas que posee. Para este estudio la microalga elegida Chlorella vulgaris, representa la mejor alternativa, ya que ha sido estudiada ampliamente y varios estudios hablan de su eficiencia en el proceso de producción de aceites para biodiésel. 2. Se puede reducir el costo y la generación de residuos peligrosos en todas las etapas de producción de biodiésel mediante la selección del método que mejor se adapte al tipo de microalga considerando un inventario de sus entradas y salidas para una mejor elección. 3. Para una demanda diaria de diésel mineral de 200, 560 litros es necesaria un área de cultivo aproximada de 135 hectáreas. 4. Es necesario utilizar la metodología del ISO 14046, empleada para el cálculo de comunicación de huella de agua directamente relacionada con los impactos de estrés hídrico y el método USETOX, ya que el cálculo que se realizó en este estudio solo considera la cantidad de agua utilizada para la producción biodiésel sin tomar en cuenta los impactos ambientales, sociales y económicos que se tengan a la hora de la toma de decisiones en la comunicación de huella de agua. 5. Los principales subproductos de la producción de biodiésel que tienen alto valor en el mercado actual y compiten con muchos de su tipo son la harina de biomasa, la glicerina y los omegas 3. 6. Es viable y de gran importancia proponer una alternativa de secado ya que esta etapa representa el máximo requerimiento de energía en el proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas. Considerando la mejor alternativa como el secado solar indirecto por convección forzada. 7. El análisis económico muestra que utilizando la tecnología del secado solar por convección forzada se obtiene una tasa interna de retorno de 34% y un valor neto actual positivo lo cual es indicativo de que el proceso de producción de biodiésel a partir de microalgas utilizando secado solar por convección forzada es teóricamente factible. 8. El análisis de sensibilidad muestra que la variación del aumento en el costo de producción y costos de energía no presenta ningún problema siempre y cuando el aumento en los ingresos también se refleje en cada año. 9. El análisis económico muestra claramente que los subproductos del proceso de producción de biodiésel se pueden comercializar dando así un valor mayor de ingreso a la planta.

86

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8. RECOMENDACIONES  



Es necesario un análisis de ciclo de vida incluyendo todos los reactivos químicos que intervienen en el proceso de producción de biodiésel. Se recomienda el uso de energía solar en el proceso de secado, calculando mediante simulación dinámica, en un software correspondiente, todas las variables que intervienen en el proceso para tener una aproximación real a los costos que se tienen en esta etapa. Se debe calcular la huella de agua que indique los impactos ambientales, sociales y económicos que tiene producir biodiésel a partir de microalgas mediante la metodología del ISO/CD 14046.

9. REFERENCIAS Agricultura, I. I. (2010). Atlas de la agroenergía y los biocombustibles en las Américas: II. IICA, 9-20. Aimmaretti N., I. L. (2008). Aprovechamiento de la glicerina obtenida durante la producción de biodiesel. Universidad del Centro Educativo Latinoamericano, 137-144. Amaro, H. G. (2011). Advances and perpectives in using microalgae to produce biodiesel. Applied Energy 88, 3402-3410. ASA, A. y. (14 de junio de 2011). Plan de vuelo. Recuperado el 29 de noviembre de 2011, de http://plandevuelo.asa.gob.mx/wb/pv/pv_02 Avilez, F. (2009). Knol. Recuperado el 13 de diciembre de 2011, de Producción de biodiesel con aceite de microalgas: http://knol.google.com/k/fernando-avilez/producci%C3%B3n-de-biodiesel-con-aceitede/xdm6qncub4vp/1# Balat, M. B. (2008). A critical revie of biodiesel as a vehicular fuel. Energy Convers Manage, 2727-2741. Banks, S. N. (30 de abril de 2007). Parliamentary Information and Research Service. Recuperado el 29 de NOVIEMBRE de 2011, de http://www2.parl.gc.ca/content/LOP/LegislativeSummaries/39/2/c33e.pdf Barraza C., C. V. (Junio de 2009). Producción de biodiesel a partir de microalgas. Valparaiso, Chile: PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO. Batan L., Q. J. (2010). Net Energy and Greenhouse gas emission evaluation of biodiesel derived from microalgae. Enviromental Science & Technology 44, 7975-7980. Berger, M. M. (2010). Water footprint: How to addres water use in Life Cycle Assessment? Sustainability ISSN 2071-1050 www.mpdi.com/journal/sustainability, 919-944. Bobban G. Subhadra, M. E. (2011). Coproduct market analysis and water footprint of simulated commercial algal biorefineries. Applied Energy. 87

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10. ANEXOS ANEXO 10.1. REPORTE DE LA SAGARPA DEL CONSUMO DE DIÉSEL AGROPECUARIO 2011. PERIODO 01/2011-05/2011.

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ANEXO 10.2. NORMATIVIDAD VIGENTE DE DIÉSEL Y BIODIÉSEL En la tabla 36 se hace una comparación entre las propiedades de un biodiésel y un diésel. Algunas son muy parecidas, pero otras difieren bastante. TABLA 36. CARACTERISTICAS DEL BIODIÉSEL Y DEL DIÉSEL SEGÚN LA NORMATIVA EN AMERICA DEL NORTE.

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ANEXO 10.3. MÉTODO GUILLARD PARA EL CULTIVO DE MICROALGAS. TABLA 37. MÉTODO DE CULTIVO GUILLARD

1. 2. 3. 4.

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Medio de cultivo F/2 de Guillard utilizado para el cultivo de algas (1975) Nitrato NaNO3 75 g por l Fosfato NaH2PO4.H2O 5 g por l Silicato Na2SiO3.9H2O 30 g por l Metales traza FeCl3.6H2O 3.5 g Na2EDTA 4.36 g