Danny Sinche, Investigador Auxiliar IIGE
Figura 1: Cultivo de microalgas realizado a escala de laboratorio en el IIGE
Fuente: Proyecto “Estudio de captura de carbono para la producción de biocombustibles a partir de biomasa microalgal, Chlorella Sp, empleando fotobiorreactores” financiado por la AECID, 2021.
El rápido crecimiento de la población mundial y los avances tecnológicos han llevado a una creciente demanda de energía, que se prevé que aumente en un 50 % o más para el año 2030 a nivel mundial [1]. Por el contrario, las reservas de combustibles fósiles se están agotando día a día [2]. En la actualidad, los combustibles fósiles satisfacen alrededor del 67 % de la demanda mundial de energía [3]. En el año 2020, el petróleo y combustibles fósiles representaron el 74,9 % de la demanda energética en Ecuador [4], como se indica en la Figura 2.
Figura 2: Porcentaje de la demanda de energía por fuente (%) en Ecuador, año 2020 [4].
Considerando que el consumo global de energía aumentará en los próximos años y, que esto conllevaría a una mayor afectación ambiental debido al uso de combustibles derivados del petróleo [2], urge un desarrollo intensivo de las fuentes de energía renovables para satisfacer adecuadamente las demandas energéticas a nivel mundial [5]. Ante esta necesidad, los biocombustibles han despertado un gran interés [6].
Los biocombustibles están hechos a partir de fuentes de biomasa, a través de medios directos o indirectos[6] y, generalmente, se agrupan en categorías conocidas como biocombustibles de primera, segunda y tercera generación, según las materias primas y la tecnología de conversión utilizada para su producción [7].
Los biocombustibles de primera generación se producen a partir de cultivos bioenergéticos, es decir, materia prima para cultivos alimentarios. Están hechos principalmente de azúcar, almidón y aceite vegetal. Los biocombustibles de segunda generación proceden de diferentes biomateriales no alimentarios[8], es decir, biomasa lignocelulósica como materia prima agrícola y forestal. Incluyen residuos producidos por sistemas agrícolas y de procesamiento de alimentos (biomasa desechada).
Los biocombustibles de tercera generación se producen a partir de materias primas de cultivo acuático, es decir, algas y microalgas [7]. Se caracterizan por tener una gran capacidad de crecimiento rápido y potencial energético. Pueden estar modificadas genéticamente para mejorar su rendimiento y características productivas [9].
Las microalgas son organismos microscópicos presentes no solo en los ecosistemas acuáticos, sino también, en los terrestres. Por lo tanto, representan una gran variedad de especies, que pueden vivir en una amplia gama de entornos. Necesitan tres componentes principales para su crecimiento: la luz solar, el agua y una fuente de carbono[10]. Como materia prima de tercera generación para la producción de biocombustibles son muy interesantes debido a que tienen una tasa de fijación de CO2 más alta en comparación con los cultivos terrestres, lo que permite que almacenen el carbono en forma de lípidos y carbohidratos para la producción de biodiesel y bioetanol, respectivamente [5].
El biodiesel es una fuente de energía renovable no tóxica. Consiste en ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga, obtenido a partir de aceites y grasas a través de la reacción de transesterificación [2]. Más del 95 % de las fuentes de biodiesel son aceites de cultivos comestibles agrícolas de primera generación. Los biocombustibles de primera generación tienen un gran impacto en la seguridad alimentaria. Los biocombustibles de segunda generación, como el aceite de jatropha curcas (piñón), el aceite de cocina usado y las grasas animales, no afectan la seguridad alimentaria y tienen ventajas significativas sobre los cultivos oleaginosos de primera generación. Sin embargo, la sostenibilidad de los biocombustibles de segunda generación no es favorable [11].
El aceite de microalgas se considera como una alternativa disponible, en términos de aceptabilidad social y económica y mayor seguridad energética [11]. Las microalgas son capaces de producir aceite durante todo el año. La productividad de aceite de las microalgas es mayor en comparación con los cultivos convencionales de girasol, palma, maíz, entre otros. El contenido de aceite de las microalgas está en el rango de 20 % - 50 %, que es mayor que el de otras fuentes de aceite. Las microalgas producen entre 15 y 300 veces más aceite para la producción de biodiésel que los cultivos tradicionales por superficie. La producción de biodiesel a partir de lípidos de algas no es tóxica y es altamente biodegradable [2].
En primera instancia, las microalgas se han considerado como una materia prima de tercera generación para la producción de biodiesel, sin embargo, dado que algunas especies de microalgas tienen un alto contenido de carbohidratos, en términos de almidón y celulosa, también son excelentes sustratos para la producción de bioetanol. Por ejemplo, se ha reportado que el género Chlorella posee un alto contenido de carbohidratos, entre el 37 % y el 55 % de su peso seco [12].
Aparte de sus aplicaciones, el potencial de las microalgas ha atraído un gran interés en la industria y en la comunidad científica, porque es posible cultivarlos en las inmediaciones de sitios industriales ya existentes y no requieren de espacios de tierra cultivable, como en el caso de los bioprocesos, que utilizan materias primas como las biomasas lignocelulósicas.[13].
Países de América Latina y el Caribe, como México, Argentina, Chile, Ecuador y Brasil, están ubicados en regiones con radiación solar suficiente para el cultivo de microalgas y tienen un potencial importante para establecerse, en el contexto mundial, como productores de biocombustibles avanzados. Para eso, sin embargo, será necesario un estímulo a la incorporación de procesos innovadores y al desarrollo tecnológico adecuado y adaptado a las características de cada país [14].
En Ecuador existen investigaciones acerca del cultivo de microalgas, realizado por algunas universidades e institutos de investigación, en su mayoría tesis de estudios realizados a escala laboratorio o escala piloto [15] para la obtención de las mejores condiciones de crecimiento y obtención de aceite con fines energéticos. En este sentido, el Instituto de Investigación Geológico y Energético (IIGE), desde inicios del año 2020 se encuentra ejecutando el proyecto “Estudio de captura de carbono para la producción de biocombustibles a partir de biomasa microalgal, empleando fotobiorreactores”, con financiamiento de la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo (AECID). El estudio tiene el objetivo de diseñar y establecer un fotobiorreactor tubular prototipo para la masificación de microalgas que capte el CO2 de gases de combustión como fuente de carbono para el cultivo, que permitirá contar con información para identificar los beneficios que ofrece la biomasa microalgal para la producción de biocombustibles; considerando tecnologías para abaratar costos de producción, como alternativa para apoyar la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero [16].
Aunque se ha considerado que los combustibles obtenidos de microalgas tienen un gran potencial, todavía no se ha probado que sean económicamente viables para ser implementados a gran escala, abriendo espacio para mayor investigación y desarrollo, siendo fundamental la existencia de instituciones públicas y privadas direccionadas a la generación de conocimiento para la cadena productiva de los biocombustibles [14].
Figura 3: Esquema gráfico de la producción simultánea de biomasa de microalgas y fijación de CO2 mediante el cultivo de Chlorella sp. GD con aguas residuales de acuicultura y gases de combustión de calderas [17]
Referencias Bibliográficas
[1] E. S. Shuba and D. Kifle, “Microalgae to biofuels: ‘Promising’ alternative and renewable energy, review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 81, no. August 2017, pp. 743–755, 2018.
[2] A. Z. A. Saifullah, A. Karim, and A. Ahmad-yazid, “Microalgae : An Alternative Source of Renewable Energy,” Am. J. Eng. Res., vol. 3, no. 3, pp. 330–338, 2014.
[3] OLADE, “Situación del consumo energético a nivel mundial y para América Latina y el Caribe ( ALC ) y sus perspectivas,” no. August, 2020.
[4] Instituto de Investigación Geológico y Energético - IIGE, “Balance Energetico Nacional,” Minist. Energía y Recur. Nat. No Renov., p. 180, 2021.
[5] Y. K. Dasan, M. K. Lam, S. Yusup, J. W. Lim, and K. T. Lee, “Life cycle evaluation of microalgae biofuels production: Effect of cultivation system on energy, carbon emission and cost balance analysis,” Sci. Total Environ., vol. 688, pp. 112–128, 2019.
[6] V. Ananthi, R. Raja, I. S. Carvalho, K. Brindhadevi, A. Pugazhendhi, and A. Arun, “A realistic scenario on microalgae based biodiesel production: Third generation biofuel,” Fuel, vol. 284, no. July 2020, p. 118965, 2021.
[7] F. Saladini, N. Patrizi, F. M. Pulselli, N. Marchettini, and S. Bastianoni, “Guidelines for emergy evaluation of first, second and third generation biofuels,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 66, no. September 2015, pp. 221–227, 2016.
[8] H. Chowdhury and B. Loganathan, “Third-generation biofuels from microalgae: a review,” Curr. Opin. Green Sustain. Chem., vol. 20, pp. 39–44, 2019.
[9] A. Fernández Muerza, “Biocombustibles de tercera generación.,” Consumer, 2014. [Online]. Available: https://www.consumer.es/medio-ambiente/biocombustibles-de-tercera-generacion.html. [Accessed: 18-Mar-2022].
[10] M. Rizwan, G. Mujtaba, S. A. Memon, K. Lee, and N. Rashid, “Exploring the potential of microalgae for new biotechnology applications and beyond: A review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 92, no. March 2017, pp. 394–404, 2018.
[11] I. Rawat, R. Ranjith Kumar, T. Mutanda, and F. Bux, “Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production,” Appl. Energy, vol. 103, pp. 444–467, 2013.
[12] S. H. Ho, S. W. Huang, C. Y. Chen, T. Hasunuma, A. Kondo, and J. S. Chang, “Bioethanol production using carbohydrate-rich microalgae biomass as feedstock,” Bioresour. Technol., vol. 135, pp. 191–198, 2013.
[13] G. Zuccaro, A. Yousuf, A. Pollio, and J. P. Steyer, Microalgae cultivation systems. Elsevier Inc., 2019.
[14] C. M. Monteiro Machado, “Situación de los Biocombustibles de 2da y 3era Generación en América Latina y Caribe,” Organ. Latinoam. Energía, 2010.
[15] O. Estevez, “CULTIVO DE MICROALGAS MEDIANTE EL USO DE FOTOBIORREACTORES,” PETROENERGÍA, 2021. [Online]. Available: https://www.petroenergia.info/post/cultivo-de-microalgas-mediante-el-uso-de-fotobiorreactores.
[16] P. Cuji, “Estudio de captura de carbono para la producción de biocombustibles a partir de biomasa microalgal, empleando fotobiorreactores – Instituto de Investigación Geológico y Energético,” Instituto de Investigación Geológico y Energético. 2020.
[17] C. M. Kuo et al., “Simultaneous microalgal biomass production and CO2 fixation by cultivating Chlorella sp. GD with aquaculture wastewater and boiler flue gas,” Bioresour. Technol., vol. 221, pp. 241–250, 2016.