De microalgas a biocombustibles: retos y oportunidades

Nunca ha habido tanto interés sobre las posibilidades de producir biocombustibles avanzados. Esta nueva tendencia está ocurriendo debido a que la producción actual tiene muchas limitaciones. Especialmente, debido a que la materia prima de granos y aceites que se está utilizando en muchos casos compite con la siembra de cultivos alimenticios y por que no existe suficiente tierra arable para poder llegar a la demanda actual de estos biocombustibles (bioetanol, biodiesel, biogasolinas, biogás, etc).

Hay muchos países que de igual forma han puesto metas muy ambiciosas para reemplazar a los combustibles fósiles con biocombustibles en sus economías. Un ejemplo relevante sería la utilización de biocombustibles a base de materias primas arables (maíz, caña, aceite de soya o de palma). Si toda la superficie disponible para agricultura en EE.UU. fuese empleada para producir aceites vegetales para hacer biodiesel por ejemplo (1.7 millones de km2) solamente el 15% de los requerimientos anuales de diesel serían cubiertos (21 mil millones de galones) (Chen, Min, Et.Al).

He ahí dónde las microalgas se vuelven más competitivas y mucho más escalables para satisfacer la demanda de biocombustibles sustentables. Unos cuantos puntos pueden dejar en claro las ventajas que tienen:

• Tienen un potencial mucho más alto para producir aceites y lípidos que pueden ser convertidos a diferentes biocombustibles y productos de alto valor (1000 – 4000 galones/acre/año)
• Pueden crecer en diversos tipo de clima y agua (residual, salina o potable) y pueden secuestrar CO2 de distintas fuentes
• No compiten con la agricultura tradicional porque no son alimentos tradicionales ya que son cultivadas en estanques de agua o en foto-biorreactores en tierras no arables
• También, los aceites, biomas y lípidos que producen pueden ser la materia prima de suplementos alimenticios, cosméticos, productos químicos y lógicamente, biocombustibles como metano a través de la digestión anaerobia, bio-petrolio, biodiesel, bioetanol, etc

Los procesos de crecimiento de estás microalgas los abordaremos con detalle más adelante. Quiero hablarles más acerca de las posibilidades que se tienen para aprovechar los aceites, biomasa y lípidos de estos microorganismos que son pequeñas fábricas foto-sintéticas.

Lo más interesante de los procesos de conversión de microalgas a combustibles es la cantidad de posibilidades que existen por investigar y comercializar. Muchos de estos procesos también se están aplicando para la producción de energía a base de desechos y desperdicios orgánicos de biomasa.

Conversión Térmica:

La biomas producida por las microalgas, que pueden ser las células completas o los residuos de extracción, se pueden emplear como materia prima para la conversión térmica de los siguientes tipos:

1)      Gasificación
2)      Pirólisis
3)      Licuefacción Hidrotermal y gasificación.

Estos procesos pueden producir gas de síntesis, bio-petrolio, bio-polioles y carbón vegetal (biochar). El gas de síntesis o el carbón vegetal se pueden utilizar como materia prima para producir electricidad o calor o ambos. La ventaja de estos procesos es su alta eficiencia.

Gasificación:
Durante la gasificación, la biomasa se convierte en un combustible compuesto de varios gases gracias a diferentes reacciones de oxidación parcial típicamente en un rango de 700°C y 100°C. La composición del mismo puede variar dependiendo de la materia prima que se use y del tipo de gasificador. Otra ventaja de esta tecnología es que ya es muy comercial y el costo de adaptarla a este tipo de biomasa a comparación de una tecnología más reciente debe de ser menor. La desventaja de esta tecnología y de la siguiente que voy a explicar es que la biomasa necesita estar relativamente seca y ese es el cuello de botella de la producción de micro-algas.

Pirólisis:
Pirólisis es otra conversión termoquímica en la que la biomasa se degrada para convertirse en bio-petroleo (bio-oil), gas de síntesis, o carbon vegetal (biochar) a una mediana temperatura (300-600°C) en la ausencia de oxígeno. La biomasa es calentada a través de una superficie o sobre arenas.  La pirólisis convencional opera a temperaturas relativamente bajas y produce principalmente carbón vegetal. Normalmente toma temperaturas de 425°C a 650°C.

Licuefacción hidrotermal y gasificación:
La licuefacción hidrotermal se refiere a las reacciones de descomposición que tienen lugar en agua a alta temperatura y alta presión. Estás parámetros crean una condición  de temperatura de agua súper crítica en la que la que estás reacciones químicas son altamente eficientes (Peterson AA, Vogel F, Et. Al).

Como comentamos previamente, este tipo de procesamiento puede ser muy benéfico para los productores de aceites y biomas de microalgas ya que no requieren que se deshidrate la misma algo que es el cuello de botella para los productores. En teoría se podría hacer una transasterificación in situ de los aceites de micro-algas del foto-biorreactor lo que bajaría dramáticamente los costos de producción con esta tecnología.

Uno de los retos principales de esta tecnología es mantener la tasa de transferencia de calor y de la residencia de la biomasa en el sistema de conversión ya que son cruciales. Estas reacciones se llevan a cabo en tiempos muy cortos.

Conclusiones:
Existen muchos retos para los profesionales que estamos en este campo. Sin embargo, la oportunidad de deserrollar procesos de producción de combustibles renovables es de sumo interés. Veremos cuales tecnologías de este tipo permiten llevar la producción de micro-algas a otro nivel el cual le permita a los productores ser competitivos con los combustibles fósiles.

Un plan energético para los siguientes 40 años; "Reinventando el fuego" con Amory Lovins

Amory Lovins ha sido un investigador y destacado escritor de temas energéticos desde la década de los años 70.

Después de tener desempeños exitosos en Harvard, Oxford y la Universidad de Londres, él se ha dedicado a investigar políticas públicas sobre los temas energéticos más relevantes de la actualidad. Ha escrito más de 29 libros al respecto.

Los pilares de su idea de reinventar el fuego se basan en cambiar el rumbo en dos rubros principales; el petróleo para combustibles de transporte y los métodos de producción eléctrica.

Empecemos por los sistemas que producen y transmiten nuestra electricidad. Estos sistemas no sólo son viejos e ineficientes sino que también están desconectados, son contaminantes e inseguros. Y está ahí el meollo del asunto, necesitamos un cambio.

Cortar nuestra adicción al petróleo, aumentar nuestra eficiencia energética, y utilizar fuentes renovables de energía tiene que ser la solución. Está transición puede llevarse a cabo en muchos lugares sin necesidad de reformas estructurales muy fuertes y sin subsidios. Necesitamos innovación y el deseo de hacer las cosas mejor.

Les recomiendo mucho este video…

Percepción vs Realidad: 8 de los mitos sobre biocombustibles (Biofuels Digest)

Un artículo de la revista Biofuels Digest me llamó mucho la atención. Esta publicación habla de los 8 mitos principales que "supuestamente" se manejan en los EE.UU. por los lobbies de empresas petroleras y empresas de alimentos para desprestigiar a los biocombustibles.

En mi opinión, hay varios puntos que son válidos. Para poder determinar la sustentabilidad y rentabilidad económica de un biocombustible se tiene que hacer un análisis completo del proceso de producción incluyendo las materias primas y el balance energético de los mismos. Cada biocombustible disponible en el mercado al día de hoy y dentro de poco tiene sus particularidades y no se pueden juzgar a todos por igual. Hay unos como el bioetanol de maíz y el biodiesel de aceite de palma que en mi opinión no son sustentables.

A continuación presentamos los mitos que presenta el artículo de Biofuels Digest:

Mito #1. Para poder llegar a los requerimientos por ley de los EE.UU. de biocombustibles se tendrán que reducir la producción de comida, causando una carestía global en alimentos y protestas violentas en todo el mundo

El artículo argumenta que los EE.UU. tienen suficiente espacio para producir 3 veces más en sus campos y utilizan el artículo publicado por el Oak Ridge National Laboratory como justificación de un estudio académico que lo comprueba. En principio, estoy de acuerdo que es verdad que hay mucho espacio y que en teoría se pudiesen producir muchísimos biocombustibles del campo de ese país. Sin embargo me parece, que la historia nos ha demostrado, sobre todo en México, que la carestía de los alimentos depende mucho de los especuladores de alimentos. 

¿Cómo se puede explicar que el maíz amarillo de EE.UU. que subió de precio por la producción de bioetanol durante los años de George W. Bush encareciera al maíz blanco en México que no tenía nada que ver con esta industria? 

El  mito #1 aunque es un mito para biocombustibles de segunda generación (bioetanol y biobutanol de celulosa, biogás de digestores anaerobios, etc.) y para biocombustibles avanzados de algas y cianobacterias (biohidrógeno, biodiesel, etc.) todavía puede ser no serlo para biocombustibles de primera generación como bioetanol de maíz, caña o biodiesel de aceite de palma.

Mito #2. Los biocombustibles causan emisiones de carbono más altas en lugar de reducirlas

El artículo hace una buena defensa de porque creen que es un mito y estoy de acuerdo con ellos. Otra vez hablan del impacto del bioetanol de maíz de los biocombustibles (que es de los peores en mi opinión) y aun así la EPA lo considera que reduce los gases de efecto invernadero (GEI). Lógicamente, todos los biocombustibles avanzados de segunda y tercera generación deben de reducir GEI porque están tomando carbono del ciclo de carbón que ya está en el ambiente y lo van a convertir en aceites, lípidos o material orgánico fermentable para hacer biocombustibles.

En mi opinión, el mito # 2 se ha fomentado por los estudios de análisis de ciclo del biodiesel Europeo que ha llegado a utilizar materia prima de Asia particularmente el aceite de palma el cual está deforestando grandes partes de las junglas ecuatoriales. (http://news.softpedia.com/news/Palm-Oil-A-Dangerous-Solution-for-Biofuels-50885.shtml).

Mito #3. Los biocombustibles utilizan más energía en su producción de la que pueden ofrecer como combustibles para el transporte 

El artículo expone los balances energéticos por biocombustible y materia prima y al final en todos el balance energético es positivo (la premisa es un mito en efecto). Aunque en algunos casos como el bioetanol de maíz ese balance es malísimo apenas un 1.3:1 unidades de energía obtenidas contra 1 requeridas.

Mito #4. Todos los biocombustibles ofrecen un rendimiento de combustible menor que sus contrapartes fósiles

Al final de leer este punto, me parece que los rendimientos (fuel economy) que ofrecen los biocombustibles son comparables con los combustibles fósiles. Sí habrán unos casos en los que los combustibles de aviación fósiles tendrán mejor rendimiento que los biocombustibles empleados pero es mínima. En casos como el biodiesel de aceite animal, aunque luego tiene problemas en climas fríos, puede llegar a tener un número de Cetano (medición de efectividad) más alto que el de sus similares fósiles.

Mito #5. Biocombustibles de celulosa estarán cinco años en el futuro, para siempre 

Me gustó como el artículo habla de las plantas en EE.UU. que ya están abriendo con este tipo de biocombustibles. En Brasil, Novozymes, compañía Danesa de enzimas está abriendo una planta de biocombustibles de celulosa y UPM en Finlandia ya tiene una planta que usa pirolisis para producir biocombustibles de sus residuos papeleros ya están en línea (http://monroybioenergy.blogspot.mx/2012_04_01_archive.html).

Mito #6. El Presidente Obama quiere que todo el mundo use biocombustibles de algas a $26 dólares el galón

Este mito en mi opinión fue orquestado por el ya derrotado candidato Newt Gingrich que lo utilizó en su campaña para la nominación presidencial del Partido Republicano de EE.UU. Aunque, el Presidente Obama quisiese hacer esto sería imposible producir suficiente para abastecer a todo Estados Unidos. Es una premisa falaz.

La armada de los Estados Unidos ha desarrollado muchas de las tecnologías de punta que han sido atribuidas a ese país, como el internet por ejemplo. No se me hace tan descabellado que quieran ser autosuficientes energéticamente sobre todo en zonas de combate. Digo si tienen presupuestos de millones de dólares por muchos de los misiles que lanzan ese precio del biocombustible de algas no se me hace tan loco.

No sabía que Reagan había sido el padre de la investigación de biocombustibles de alga. Eso es muy interesante.

Mito #7. Los biocombustibles requieren subsidios masivos

En el caso de EE.UU., Biofuels Digest hace un buen análisis. Los biocombustibles quizás no necesitarían subsidios pero definitivamente estos subsidios serían buenos para desarrollar la industria más rápido. Esto, siendo mexicano, me da muchísima risa, tomando en cuenta el costo ofensivo que pagamos los contribuyentes al subsidiar los combustibles fósiles nacionales. En México un esquema de subsidio no cambiaría mucho el terrible status-quo pero quizás pudiese ayudar a fomentar el campo nacional y para combatir el cambio climático. Tenemos que preguntarle a Quadri.

Mito #8. El gas natural es un combustible renovable, también, y debería tener todas las ventajas de los biocombustibles 

Este último está buenísimo, con esa definición de renovable, pues el petróleo y el carbono serían totalmente renovables. Digo, tendrían un ciclo de 60 millones de años para que la biomasa se transformara. El gas natural aunque es más limpio que el combustóleo o el carbono, no es renovable y si contribuye a los GEI.

http://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2012/06/08/perception-vs-reality-the-8-most-common-biofuels-myths/

Microalgae Oil for Omega 3 and other Nutraceuticals

The Neutraceutical (Nutrition + Pharmaceutical) Industry is growing very rapidly. Neutraceuticals are being used as complementary and alternative therapies in treatment of diseases.

This industry is worth $86 billion dollars (2011, Algae Color of the Future).

One set of Neutraceuticals that hold much interest are Omega 3 Polyunsaturated Fatty Acids (PUFA).
PUFAs from algae and fish oils, especially eicopentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) have been shown to play a role in the possible prevention and treatment of several chronic diseases.

Micro-algae production systems such as specialized photo-bioreactors hold much promise to produce large quantities of these products. Fish oil has been deemed unsustainable and algae oil is considered as a plausible replacement of fish oil. It is also known that the relationship between DHA and EPA in algae oil can be more balanced.

To be continued...

La batería del siglo 21: Posible solución de los problemas de intermitencia de la producción de energías renovables

R10: Bateria Líquida

Uno de los problemas que tienen las energías renovables como el sol o el viento es que son intermitentes. No siempre tenemos días completamente soleados, no podemos capturar energía solar en la noche lógicamente, y el viento no sopla todo el tiempo tampoco.

Las energías convencionales como el carbono, el gas natural, el combustoleo o la energía nuclear nos suministran la carga real de electricidad que requerimos en cualquier momento. 

Los miles de millones de vatíos que utilizamos todos los días se generan y se consumen casi instantáneamente.

¿Cómo podemos reemplazar una parte importante de la energía que requiere nuestra sociedad con alternativas renovables? 

El reto que tenemos es poder accesar a la energía que se produce de forma renovable en un dispositivo almacenado. El Dr. Donald Sadoway tiene una idea radical de como solucionar este paradigma. 

Él junto a otros investigadores del MIT tienen una forma original de atacar este problema. Han logrado probar una batería líquida que sus prototipos son 3 veces más baratos que sus equivalentes en el mercado. 

Esta batería, la TR10, está compuesta de electrodos que son metales líquidos y los electrolitos que conducen las corrientes son de sales derretidas.

Tecnologías de este tipo pueden permitirle a las energías renovables intermitentes tener una mayor participación en una solución holística a nuestros problemas energéticos.

El azúcar del siglo 21 - renovable y precursor de la industria química

En el congreso mundial de biotecnología y bioprocesamiento en el que Monroy BioEnergy S.A. de C.V. tuvo el privilegio de asistir, nos encontramos con un sin número de novedosas tecnologías sustentables para producir biocombustibles y químicos de alto valor.

Una de las sesiones tecnológicas en la que asistimos se presentaron cuatro compañías distintas que producen azúcares para procesos industriales de diferentes materias primas y de formas novedosas.

Dos de estas compañías se nos hicieron bastante interesantes entendiendo las tendencias actuales de la industria química.

La primera compañía que captó nuestra atención se llama Proterro (http://www.proterro.com y su sistema patentado aparece arriba). Kef Kasdin, su CEO, afirma que Proterro ha diseñado un organismo genéticamente modificado (OGM) a base de un tipo de cianobacteria. Esta cianobacteria crece en un foto-biorreactor (también diseñado por Proterro) en el que las bacterias crecen sobre un medio diseñado para maximizar la transferencia de luz, agua y dióxido de carbono para las reacciones foto-sintéticas. El producto principal de este sistema es la sucrosa y está diseñado para ser un sistema de bajo costo para producir carbohidratos que pueden ser precursores de biocombustibles o químicos de alto valor.

Una de las principales ventajas que parece tener este sistema es que se puede producir esta sucrosa en diferentes latitudes. De hecho, la CEO de esta compañía comentó durante su ponencia que sus sistemas de demostración los instalaron en Chicago y en el sur de EE.UU. y tuvieron desempeños exitosos. Pienso que si son de un costo capital razonable quizás tienen mucho potencial porque no dependen de la agricultura y pueden ser instalados en regiones en donde el azúcar de caña por ejemplo sería costoso conseguir.

La segunda compañía que nos llamó mucho la atención, se llama Sweetwater Energy (http://www.sweetwater.us/) esta compañía se dedica a poner sistemas de procesamiento de biomasa para la producción de azucares.

Sweetwater Energy tiene tecnologías para producir azúcares concentrados de bajo costo de diversas materias primas de plantas que no están relacionadas con los alimentos. Su meta es poder vender estos azúcares a productores de bioenergía y bioquímicos para hacer productos sustentables.

Ellos comentan que tienen muchas patentes pendientes para producir estos azúcares de materiales de desecho de la agricultura y de la industria de la madera y el papel.

Nos llamó mucho la atención el modelo de negocios que manejan. Ellos están interesados en encontrar productores industriales que tengan desechos de celulosa y otras biomasas de agricultura. Sweetwater Energy tiene como objetivo poner el capital para la construcción de una planta de producción de azúcares con sus tecnologías. Básicamente, ellos quieren ser los dueños y operadores de los centros de producción de azúcares y el dueño del residuo de biomasa recibiría regalías del producto final.

Pirólisis de biomasa para producir Biocombustibles

Se le llama pirolisis a la descomposición termoquímica de materia orgánica a temperaturas elevadas en un ambiente sin oxígeno. Este proceso químico involucra el cambio químico y físico de estado y es irreversible. En general, la pirolisis de materiales orgánicos produce gases, líquidos y un residuo carbónico sólido.

Este proceso se utiliza comúnmente para producir químicos, cloruro de vinilo, para convertir biomasa en gases de síntesis (H2 y CO), etc.

La pirolisis es la base de varios métodos que se están desarrollando para producir biocombustibles de biomasa que pueden ser de materias primas como:

• cosechas energéticas
• desperdicios de biomasa.

Se ha probado que se pueden convertir los residuos de biomasa a biocombustibles de segunda generación. Estos biocombustibles pueden ser destilados de una forma parecida a sus contrapartes fósiles con un líquido similar al petróleo denominado como bio-aceite. Este bio-aceite se produce con un método de pirolisis hídrica con diferentes materias primas como estiércol de ganado y celulosos, etc.

La compañía Finlandesa UPM, ha puesto la primera planta a gran escala que produce biocombustibles pirolíticos usando materias primas de desperdicio de sus procesos de producción de pulpa y papel.

Este video muestra un ejemplo de producción de biocombustibles avanzados de celulosa. El proceso convierte la biomasa en hidrógeno y monoxido de carbono con vapor a altísimas temperaturas, luego pasan por un reactor catalítico para realizar una reacción fischer-tropsch, luego se rompen las cadenas de carbono para producir un producto destilable (bio-aceite) a biodiesel y queroseno.