Contribución al estudio del crecimiento y las posibilidades del aprovechamiento termoquímico de las microalgas Nannochloropsis gaditana y Nannochlorpsis oculata
Year: 2014
Type: dissertation
Abstract: Las microalgas son microorganismos biologicos versatiles que ofrecen numerosas ventajas con respecto a la biomasa lignocelulosica terrestre para la produccion de biocombustibles renovables. Las microalgas tienen una eficiencia fotosintetica mas alta requiriendo por tanto una menor extension de tierra. Tambien pueden ser ricas en aceite (trigliceridos) y cosechadas con mayor frecuencia debido a su rapida tasa de crecimiento. Por otra parte, las microalgas pueden cultivarse en climas variables, con aguas tanto salobres como contaminadas, y los reactores pueden situarse en tierras marginales no aptas para otros cultivos. Como resultado de ello, los problemas ambientales relacionados con los cambios globales en los patrones de uso del suelo son menores para el cultivo de algas. Las microalgas tambien pueden eliminar el nitrogeno, fosforo y metales pesados de las aguas residuales. Por lo tanto, el cultivo de algas se puede acoplar con la biorremediacion de aguas residuales. Ademas, las instalaciones de cultivo de microalgas se pueden integrar con las centrales electricas que utilicen combustibles fosiles y, de este modo, aprovechar el CO2 que se obtiene en los gases de combustion para la produccion de biomasa algal a traves de la fotosintesis.
Por todo lo comentado anteriormente, resulta de gran interes llevar a cabo diferentes estudios, que engloben desde la mejora del sistema de cultivo, incluida la etapa de concentracion, a la caracterizacion de la biomasa generada para, de esta manera, encontrar la mejor alternativa para su posterior utilizacion.
En el presente trabajo de investigacion se ha incidido fundamentalmente en dos de los aspectos mas importantes a tener en cuenta para la obtencion de biomasa (y/o energia) a partir de las microalgas:
a) Estudio de las condiciones necesarias para hacer posible el crecimiento de dichos microorganismos.
b) Caracterizacion de la biomasa generada.
Para ello, el trabajo se ha dividido en las siguientes etapas:
1. Estudio de la evolucion de la composicion bioquimica de los cultivos de la microalga Nannochloropsis oculata al aire libre en funcion de la concentracion inicial de nitratos en el medio y de la etapa de crecimiento.
2. Calculo de la relacion de CO2 consumido por la microalga Nannochloropsis oculata y el CO2 perdido por arrastre en un fotobiorreactor de tipo columna de burbujas utilizando el analisis de los perfiles de pH.
3. Estudio del uso de la distribucion de tamano de particula de la microalga Nannochloropsis gaditana para obtener informacion sobre el crecimiento del cultivo. Modelado cinetico de la concentracion celular y la distribucion de tamano de particula.
4. Revision del estado del arte de la conversion termoquimica de microalgas.
5. Analisis del modelado cinetico de la perdida de peso producida en la degradacion termica de las microalgas.
6. Estudio del empleo de tecnicas de termogravimetria y Py-GC/MS como metodos cualitativos rapidos para la comparacion de la composicion bioquimica de muestras de Nannochloropsis oculata obtenida bajo diferentes condiciones de cultivo.
Las PRINCIPALES CONCLUSIONES obtenidas en los estudios llevados a cabo en cada una de las etapas son:
1. Las concentraciones iniciales de nitratos mas bajas han provocado los crecimientos del cultivo de la microalga Nannochloropsis oculata mas pequenos en ambos reactores. En la ultima etapa de crecimiento de ambos reactores (estacionaria), al aumentar la concentracion inicial de nitratos en el medio, las proteinas aumentan mientras que los carbohidratos y los lipidos transesterificados disminuyen. En la ultima etapa de crecimiento de ambos reactores (estacionaria), al aumentar la concentracion inicial de nitratos en el medio, aumenta la concentracion de los compuestos con 20 atomos de carbono y aumenta el grado de insaturaciones, siendo el ester metilico del acido eicosapentanoico uno de los componentes mayoritarios en estas condiciones.
2. El analisis de los perfiles de pH ha permitido obtener informacion sobre el comportamiento del sistema microalga/fotobiorreactor en relacion a la proporcion CO2 consumido/CO2 inyectado. La evolucion de la proporcion CO2 consumido/CO2 inyectado es funcion de la radiacion fotosinteticamente activa y de la concentracion de microalgas. Para el sistema Nannochloropsis oculata/fotobiorreactor de tipo columna de burbujas se obtiene un valor maximo de la proporcion CO2 consumido/CO2 inyectado proximo al 55 % a mediodia cuando la concentracion de microalgas es de 0.14 g/L. La informacion proporcionada por esta metodologia puede ser utilizada para la correcta seleccion de los parametros del sistema microalga/fotobiorreactor con el objetivo de maximizar la proporcion CO2 consumido/CO2 inyectado.
3. Las distribuciones de tamano de particula de la microalga Nannochloropsis gaditana tienen una asimetria positiva y la forma de la curva no varia durante el proceso de crecimiento. Las distribuciones de tamano de particulas se desplazan a tamanos menores durante el periodo de oscuridad mientras que en el periodo de luz se produce el comportamiento opuesto. Durante el proceso de crecimiento, las distribuciones de tamano de particulas se desplazan hacia tamanos mayores, debido probablemente a la falta de nitrogeno en el medio, y las diferencias entre las distribuciones al principio y al final de cada periodo son menores. El modelo cinetico propuesto consigue una mejora significativa de los resultados obtenidos al considerar el modelo logistico teniendo en cuenta solo el tiempo de oscuridad para la division celular. La division celular no es capaz de describir la evolucion de la distribucion del tamano de particulas con el tiempo. El ajuste de la evolucion con el tiempo de las curvas de distribucion de tamano de particulas se ha conseguido cuando se ha propuesto un modelo cinetico en el que se incluyen procesos de respiracion y crecimiento celular durante los periodos de oscuridad y luz, respectivamente.
4. Comparada con el resto de tecnicas de conversion termoquimica (gasificacion, combustion, pirolisis), la licuefaccion hidrotermica parece ser la tecnica mas favorable y prometedora desde el punto de vista energetico para obtener combustibles liquidos a partir de solido. Los residuos obtenidos de la licuefaccion hidrotermica deben ser reciclados, por ejemplo, para aprovechar los nutrientes que quedan en el agua, y de esta forma, mejorar la viabilidad del proceso desde el punto de vista economico. El diseno de reactores de pirolisis requiere el empleo de herramientas de modelado y simulacion que necesitan de un proceso de analisis cinetico adecuado. Los procesos mas adecuados para ello, teniendo en cuenta la complejidad de las reacciones de descomposicion de las microalgas, implicarian el analisis cinetico en multiples etapas, permitiendo de este modo, la verificacion del modelo mediante una simple comparacion de los resultados experimentales con los calculados a partir de los parametros cineticos obtenidos.
5. En el trabajo analizado, aunque hay una clara evidencia de que la combustion de las microalgas es un proceso complejo, los autores han usado procedimientos de calculo adecuados para procesos que tienen lugar en una sola etapa (metodos isoconversionales). Los metodos isoconversionales podrian haberse aplicado correctamente si se hubiera hecho la deconvolucion de las distintas etapas y se hubiese calculado la energia de activacion para cada una de ellas. Cuando se aplican metodos isoconversionales, la comprobacion de si existe una dependencia de la energia de activacion con la conversion permite asegurarse de que el mecanismo supuesto es adecuado para realizar predicciones cineticas fiables. Los calculos deben realizarse considerando un rango de grados de conversion amplio con valores comprendidos entre 0.05 y 0.95 con intervalos no mayores de 0.05. La comprobacion de que con los parametros cineticos obtenidos se pueden reproducir los datos experimentales obtenidos es necesaria. El analisis y la comparacion de un unico parametro cinetico no es adecuado ya que la velocidad de descomposicion depende del triplete cinetico (energia de activacion, factor preexponencial y el orden de reaccion).
6. El analisis termogravimetrico y el Py-GC/MS han mostrado una clara correlacion con la composicion bioquimica de las muestras (proteinas, carbohidratos y lipidos transesterificables). Ambas tecnicas, pero en especial Py-GC/MS, han demostrado ser una poderosa herramienta con fines comparativos. Estas tecnicas proporcionan una idea cualitativa de la composicion bioquimica mediante un analisis rapido y sencillo que requiere una cantidad de muestra muy pequena.
Author: Lucía Catalá Esteve
Language: Spanish
Field: Energy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W1481235367