Desert Bionergy 2015

DESERT BIOENERGY 2015

Consorcios Tecnológicos Empresariales de Investigación en Biocombustibles a partir de Microalgas

Avda. Kennedy 5145. Oncina 61 Vitacura. Santiago de Chile +562 2378 9348 www.desertbioenergy.cl

1

Indice Presentación Consorcio

05 05 09 09 11 11 13 13 15 16

Carta del Presidente del Directorio Sobre el Consorcio Historia Misión Objetivos Aportes económicos Socios y estructura accionaria Directorio Recursos Humanos / Organigrama

PRESIDENTE DEL DIRECTORIO Joep Stuijt

GERENTE GENERAL Rodrigo Benavides

25

Subprograma 1 BASES BIOTECNOLÓGICAS EN OPTIMIZACIÓN DE LA CALIDAD DE LA MATERIA PRIMA EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL

DIRECTORIO E-CL Jacobus Stuijt Beatriz Monreal Sebastián Falkenberg

PRODALMAT LTDA.

31

Subprograma 2 INGENIERÍA METABÓLICA APLICADA A BOTRYOCOCCUS BRAUNII

René H. Piantini Castillo

MOLINERA GORBEA S.A. Luciano Rivas

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA

35

Subprograma 3 BIOFIJACIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) DE ORIGEN INDUSTRIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL

Claudina Uribe B.

UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA Luis Alberto Loyola M. Fernando Fernández Carlos Eduardo Riquelme S.

DESERT BIOENERGY www.desertbioenergy.cl

Av. Kennedy 5146, Ocina 61 Vitacura. Santiago de Chile +56 2 2378 9348

DISEÑO E IMPRESIÓN ORIÓN Producciones Grácas www.orlandoduransaez.cl (9) 439 25 84

Noviembre de 2015

2

41 45

Subprograma 4 DESARROLLO Y OPTIMIZACIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL Construcción, habilitación y montaje de equipos en la Planta Piloto de Producción Mi croalgal –Tocopilla

53 64

75 81

Planta Piloto para Biocombustibles Producción de Biocombustibles a partir de Microalgas

Desarrollo de capacidades humanas Oportunidades de Negocio y Proyecciones futuras


Corporación

Socios

3

4


Carta del Presidente EN EL AÑO 2015 NUESTRO CONSORCIO mostró importantes y determinantes resultados, consecuencia de años de investigación, trabajo en equipo y dedicación. En el año 2015 se logro continuar con la producción de microalgas en la planta piloto, para realizar actividades relacionadas a la validación de la biomasa en el mercado. En el año 2013, inauguramos la planta piloto de Micro Algas en Tocopilla junto con la planta de producción de Biodiesel y Biogás, logrando así una instalación completamente integrada desde el insumo del CO 2 de la termoeléctrica hasta la producción de biocombustibles. El análisis de mercado determinó que existía una aplicación de mercado en la acuicultura, lo cual permitió realizar pruebas pilotos preliminares que nalizaron con éxito.

>> Joep Stuijt Presidente Directorio

Con esto, se concluyó una etapa que abrió nuevos desafíos para mejorar la producción de microalgas, la obtención de los bioproductos y la validación a mayor escala en los distintos mercados de aplicación. Los grandes desafíos para el 2015 son continuar con la etapa de producción masiva de microalgas en un proyecto que considera una escala mayor de producción, para concluir la validación técnica y comercial de algunos productos en el mercado. Por último, quiero agradecer el apoyo cada uno de los integrantes de los equipos de investigación y administración, quienes han permitido que el Consorcio cumpla sus ob jetivos para en un futuro lograr la visión de Desert Bioenergy, contribuir al país disminuyendo las emisiones de los gases de efecto invernadero, creando una nueva industria de las microalgas en la que se desarrollen bioproductos sustentables y se logre obtener bioenergía disminuyendo las dependencias energéticas actuales, construyendo una planta productiva para abastecer el mercado desarrollado y aprovechando la capacidad instalada de la planta piloto para continuar con I+D.

5

6


Carta de Gerente General HAN TRANSCURRIDO 5 AÑOS desde el inicio de este innovador consorcio, conformado por prestigiosas empresas y universidades nacionales, con el apoyo de Innova CORFO y el Ministerio de Energía. Durante todo este tiempo hemos anunciado importantes logros como la construcción de la planta piloto de microalgas ubicada en la central termoeléctrica de Tocopilla, como también la posterior instalación de la planta de biodiesel y biogás. Sin embargo, este período no ha estado exenta de dicultades que hemos sabido superar como equipo.

>> Rodrigo Benavides Gerente General Desert Bioenergy S.A.

También felicito y agradezco a todos los profesionales y técnicos que participan de esta iniciativa ya que han realizado su máximo esfuerzo en buscar nuevas oportunidades de negocios que permitan dar una viabilidad a nuestra empresa. Es así como nos hemos focalizado en optimizar nuestros procesos de producción de microalgas, obtener una biomasa seca y viajar con gran esfuerzo a Ecuador y la zona sur de Chile para realizar pruebas experimentales en la alimentación acuícola y validar las propiedades de nuestro producto. Estamos en una etapa trascendental de nuestro desarrollo, escalando nuestro proceso productivo y validando la tecnología desarrollada durante los últimos años, estoy seguro que también seremos exitosos en esta etapa y con ello poder concretar nuestro sueño, que tenemos desde hace varios años, que es ver cultivado el desierto mas árido del planeta con microalgas que sean la fuente de alimentación para la industria acuícola nacional e internacional.

7

8

DESERT BIOENERGY 2015 o i s o s n o C l e d a i r o t s i H

CONSORCIO

DESERT BIOENERGY S.A.

D

esert Bioenergy S.A. es el consorcio empresa-universidad creado a nes del 2009 por las empresas Electroandina lial de E-Cl,

Molinera Gorbea, Algas Prodalmar y las Universidades de Antofagasta y Universidad de La Frontera y que ha sido nanciado parcialmente por Innova CORFO y el Ministerio de Energía. Desert Bioenergy ha destinado sus esfuerzos en realizar investigación y desarrollo tecnologico para la producción de biocombustibles y bioproductos a partir de microalgas, alineándose a los esfuerzos del Gobierno por pasar a la segunda generación de combustibles renovables, aquellos que se producen en base a recursos cultivados que no compiten con los alimentos.

Innova Chile de CORFO realizó el 1 de Octubre de 2009 la denominada “Convocatoria Nacional de Consorcios Tecnológicos Empresariales de Investigacion en Biocombustibles a partir de Micro y Macroalgas”. Los proyectos presentados a esta convocatoira fueron evaluados por expertos internacionales de Estados Unidos, Portugal y Australia entre otros, debido a su importancia y complejidad. El objetivo del concurso organizado por Innova Chile de Corfo y el Ministerio de Energía, fue ampliar el desarrollo económico y productivo de Chile a través de la creación de consorcios de investigación sustentables en materia de producción de biocombustibles a partir de micro y macro algas, que alcancen altos niveles de impacto, mediante la adopción, transferencia y comercialización de sus resultados.

9

Desert Bioenergy S.A. fue uno de los tres consorcios adjudicados con el proyecto “Consorcio Desert Bioenergy S.A. para la Investigación y Desarrollo de la industria del Biocombustible a partir de Microalgas”. El monto total del proyecto asignado fue de $ 3.558 millones, y con un aporte de Innova CORFO y del Ministerio de Energia de $ 2.487 millones de pesos.

DESERT BIOENERGY Generación de tecnología para a producción de biodiesel y bioproductos a través del cultivo de microalgas.El consorcio Desert Bioenergy S.A. se formó a nes del

2009 con el objetivo de desarrollar tecnología para producir biocombustibles de segunda generación y otros bioproductos a partir de microalgas que se cultivan en las tierra aridas del norte del país, utilizando gases de combustion de fuentes jas y agua de mar. Está em-

biotecnología, ingeniería y procesos proveniente tanto de la Universidad de Antofagasta como de la Universidad de La Frontera e investigadores propios del consorcio. El proyecto está orientado al desarrollo tecnológico de procesos basados en el concepto de una bioreneria

a partir de microalgas, con lo que el objetivo es poder elaborar otros bioproductos de alto valor agregado en conjunto al biogás y biodiesel. Nuestra ventaja competitiva se basa en aprovechar la alta luminosidad y las tierras aridas del Norte de Chile que no compiten con la agricultura tradicional, la utilización de agua de mar en los sistemas de cultivo, y el utilizar gases de combustion con CO2 provenientes de la central Termoeléctrica de Tocopilla propiedad de E-Cl, mejorando los rendimientos de los cultivos y con ello una ventaja en el costo de producción de la biomasa de microalgas. Durante el proceso de investigación se han aislado tanto

El proceso para producir biocombustibles consiste en cultivar una microalga tanto en fotobioreactores cerrados como en sistemas abiertos tipo raceway, luego cosechar estas microalgas, someterlas a un proceso de transestericación para ser transformado en biodiesel y biogás.

presa está conformada por Electroandina, lial de E-CL

(44%), la Universidad de Antofagasta (31%), Productora de Algas Marinas (10%), Universidad de La Frontera (10%) y Molinera Gorbea (5%). El proyecto de investigación y desarrollo tecnológico desarrollado por Desert Bioenergy contempló la ejecución de 12 líneas de investigacion, las cuales consideraron el estudio y aislación de diversas cepas de microalgas, estudio genético, diseño e implementacion de una planta de cultivo de microalgas a nivel piloto con inyección de gases de combustion proveniente de la central termoeléctrica de Tocopilla, obtención de bioproductos de la microalgas, desarrollo de la tecnología para produccion de biodiesel y biogas y el diseño y construcción de una planta piloto de biocombustibles. Desert Bioenergy se basa en disponer de un equipo de investigadores de alto nivel en las especialidades de

10

cepas originarias de la zona de Tocopilla como también la introducción de otras cepas del Norte de Chile que se desarrollan en agua dulce y que se han adaptado a condiciones de agua salada. En términos simples el proceso para producir biocombustibles consiste en cultivar una microalga tanto en fotobioreactores cerrados como en sistemas abiertos tipo raceway, para luego cosechar estas microalgas, someterlas a un proceso de transestericación directa que nalmente será transformado en

biodiesel y biogás. Hemos demostrado que es factible técnicamente producir biodiesel y biogás a partir de microagas pero en esta etapa no es viable económicamente, sin embargo vemos que la gran oportunidad de las microalgas es utilizarlas como alimento en el mercado acuícola en particular como alimento de salmones y camarones, donde dada nuestra tecnología basada en producir a bajos costos vemos un importante potencial en dicho mercado.


Misión Nuestra misión como empresa es ser un consorcio empresa –universidad, donde generamos tecnología innovadora. Desarrollamos tecnología innovadora para el cultivo y procesamiento de microalgas, producción de bioproductos, bajo el concepto de biorenería.

Investigamos para desarrollar tecnología que permita la producción de biocombustibles y otros bioproductos comerciales a partir de microalgas a escala industrial y en términos competitivos en el mercado nacional. Nuestra idea es generar paquetes tecnológicos competitivos para que se implementen procesos productivos y comerciales y, como consecuencia de estas inversiones, se genere la cadena productiva en Chile a partir debioproductos de microalgas.

Objetivos Nuestro principal objetivo en Desert Bioenergy es que buscamos originar desarrollos tecnológicos para cultivar microalgas y la elaboración de bioproductos en términos competitivos con el mercado, recorriendo la cadena productiva que se inicia con el desarrollo de técnicas para el cultivo masivo de microalgas de alto potencial productivo hasta la obtencion de bioproductos comerciales.

11

1. Objetivos Específcos

del Proyecto

DESARROLLO DE TECNOLOGÍA

CAPACIDADES I+D

Promover la generación de conocimiento cientíco,

Incentivar la formación y capacitación de personal cientíco y tecnológico de alto nivel en Chile y la transferencia tecnológica al sector industrial.

investigación y desarrollo tecnológico aplicado en las áreas de la industria de las microalgas, biocombustibles (ERNC) y bioproductos.

ESCALACIÓN PLANTA PILOTO

NEGOCIO PRODUCTIVO

Implementar una planta piloto a escala semi-industrial de cultivo de microalgas y produccion de biodiesel y biogás en las instalaciones de la central térmica de Tocopilla propiedad de E-Cl, que permita validar los paráme-

Consolidar la formación de un negocio productivo en la zona norte, sustentable y líder en la temática de los bioproductos comerciales a base de microalgas.

tros relevantes para el escalamiento de una biorenería

a partir de microalgas.

12


2. Aportes Económicos EL proyecto desarrollado por Desert Bioenery dispone de un presupuesto de $ 3.558 millones de pesos, los cuales fueron aportados por Innova Corfo y el Ministerio de energía, de $ 2.487 millones de pesos y por parte de los socios de DBSA de $ 1.070 millones de pesos en proporción a su participación accionario según se indica en la tabla siguiente.

ACCIONISTAS

ACCIONES

PARTICIPACIÓN

E-CL

257.812

44,4%

Universidad de Antofagasta

181.274

31,2%

PRODALMAR

55.000

9,5%

Universidad de La Frontera

55.500

9,6%

Molinera Gorbea

31.154

5,4%

580.740

100%

TOTAL CAPITAL

3. Socios y Estructura Accionaria UFRO

10%

PRODALMAR

MOLINERA GORBEA

E-CL

31%

10% 5%

44%

UA

13

14


4. Directorio Se realizan reuniones de directorio mensualmente en Desert Bioenergy donde participan los respresentantes y directivos de las empresas y universidades socias del consorcio, entregando los principales lineamientos a seguir en la sociedad, seguimiento de los resultados y transriendo su conocimiento y experiencia de las empresas y universidad para el éxito de Desert Bioenergy.

E-CL

Jacobus Stuijt

El directorio de DBSA está integrado por 9 miembros titulares y sus respectivos suplentes más la participacion del secretario del directorio y el gerente general, además cabe destacar que los estados nancieros de la sociedad

son auditados anualmente por una empresa de auditoria externa y se elabora una memoria anual donde se destacan los principales logros y avances del consorcio

PRODALMAR LTDA.

Beatriz Monreal

Sebastián Falkenberg

René H. Piantini Castillo

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA

MOLINERA GORBEA S.A.

Claudina Uribe B.

Luciano Rivas

UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA

Luis Alberto Loyola M.

Fernando Fernández

Carlos Eduardo Riquelme S.

15

5. Recursos Humanos

MIEMBROS DIRECTORIO

GERENTE GENERAL

COORDINADOR UA

COORDINADOR UFRO

ADMINISTRACIÓN

Controller SP1

SP2

SP3

SP4

Determinación de Cepas

Ingeniería Genética Aplicada B Braunii

Biojación

CO2 origen industrial

Producción de biomasa microalgal en Planta Piloto

SP5 Optimización de procesos de extracción y recuperación de aceite

16

SP6 Diseño e implementación de procesos para la producción de biocombustibles

SP7 Producción de compuestos bioactivos

Contador

SP8 Obtención de biogás

SP9 Diseño y contrucción de planta piloto para biocombustibles

Asistente Administración

TRANSFERENCIA Y DIFUSIÓN


6. El Proyecto - Programa de I+D Desde nuestro comienzo, DBSA tiene una serie de hitos que fuimos cumpliendo de acuerdo a nuestros objetivos, estos se pueden resumir en 5 aspectos: Puesta en

Puesta en marcha

marcha, Administración del Consorcio, Construcción de la planta de microalgas, Construcción de la planta de biodiesel y Validación comercial.

Administración del Consorcio

Construcción Planta microalgas

2011

2012

2013

Investigación en Universidades

Desarrollo de investigación

Sistema de CO2 en cultivos de microalga

Salmón

Desarrollo de Tecnología

Obtenciión de productos y su caracterización

Larvas de peces

Producción masiva de microalgas

Caracterización biomasa

Construcción Planta biodiesel

Validación Comercial

2014

2015

Camarón Abalón

Proteína

Bio-Oil

Desarrollo de una patente de Biorenería

a partir de microalgas

Estudio de cepas

Inyección gases de combustión

Producción biodiesel y biogás

Bioetanol a partir de carbohidratos de biomasa microalgal

17

El cumplimiento de nuestros objetivos ha conllevado a generar una serie de logros y beneficios en desarrollo de nuevos procesos y productos sustentables, los cuales se pueden resumir en el diagrama inferior de esta página Nuestros beneficios nos han permitido crear relaciones con la comunidad logrando aumentar las ac-

tividades relacionados al cultivo de microalgas en Tocopilla. Desert Bioenergy busca reconocer y potenciar el talento en los jóvenes tocopillanos permitiendo que alumnos con desempeño destacado del Liceo Politécnico Diego Portales Palazuelo puedan ser capacitados para llegar a ser operadores de la planta piloto de Tocopilla.

LOGROS Y BENEFICIOS

Captura de gases de efecto invernadero.

Relaciones con la comunidad

Cultivo de Microalgas utilizando gases de combustión

Transferencia tecnológica. Integración Universidad con Empresa y Comunidad

Nueva industria en la zona norte del país

Proceso sustentable con agua de mar, luz solar y gases de combustión.

Los principales logros y beneficios de Desert Bioenergy han sido:

• Transferir tecnología en el cultivo de microalgas desarrollando en la universidad hacia la industria.

• Captura de gas de combustión y usar terrenos no aptos para la agricultura en la zona norte

• Desarrollo de un nuevo negocio para diversificar la industria en la zona norte de Chile, que será el cultivo de microalga para uso como alimento animal.

• Proceso sustentable capturando CO 2, utilizando agua de mar para producir biomasa de microalgas .

18


Resumen de subproyectos que integran el proyecto DESERT BIOENERGY S. A.

1enBases 2 3 biotecnológicas Ingeniería metabólica Biojación de dióxido optimización de la aplicada a Botryococcus de carbono (CO 2) de

calidad de la materia prima en la producción de biodiesel

braunii

origen industrial para la producción de biomasa microalgal

Asegurar la disponibilidad de inóculos de las mejores cepas productoras de biodiesel y otros bioproductos.

La ingenieria metabólica se reere

El objetivo general de este proyecto es aprovechar fuentes industriales emisoras de Dióxido de Carbono para su utilización como fuente de carbono en el cultivo de microalgas.

Los objetivos especícos del sub-

programa son los siguientes: • Validar los parámetros bióticos y

abióticos de mejor rendimiento para el cultivo eciente de microalgas en

al uso de genes y proteínas pertenecientes a una especie en particular, que le otorga a ella alguna característica especica. Bajo esta premisa

es posible aumentar y mejorar ciertas características de interés biotecnológico entre una especie y otra.

forma masiva.

Los objetivos del subprograma son los siguientes:

• Ampliar la diversidad genética y especíca de cepas para la producción

• Identicar los genes involucrados

de biodiesel y bioproductos. • Seleccionar las microalgas de me-

jor crecimiento y mayor contenido de lípidos y bioproductos. • Desarrollar y mantener procesos

de producción constante de inóculos microalgales, para abastecer cultivos experimentales e industriales.

en la biosíntesis de hidrocarburos en Botryococcus braunii y analizar su funcionalidad en huéspedes heterólogos. • Desarrollar la biotecnología mi-

croalgal para obtener una microalga recombinante y/o la sobreexpresión de las proteínas involucradas en la biosíntesis de hidrocarburos.

Los objetivos especícos son: • Diseñar e instalar sistema de

captación de gases de combustión proveniente de fuentes emisoras e inyección de estos en los sistemas de cultivos microalgales. • Determinar la concentración ópti-

ma de gases de combustión, principalmente CO2 en cultivos microalgales a nivel primario y masivo. • Probar a nivel piloto la tecnología

desarrollada.

19

4optimización Desarrollo y de

5procesos 6 Optimización de Diseño e de extracción y implementación recuperación de aceites e hidrocarburos desde biomasa microalgal

de procesos para la producción de biocombustibles renados

El objetivo general planteado en el subprograma 4 es determinar las mejores condiciones de cultivos y mejorar el diseño de sistemas de cultivos, obteniendo mejores productividades de los sistemas en condiciones out-door.

El objetivo general planteado es seleccionar proceso costo-efectivo y condiciones de lisis celular y extracción/recuperación de hidrocarburos/ lípidos desde la biomasa microalgal lisada.

El objetivo general planteado en el subprograma 6 es: Producir biocombustibles a partir de hidrocarburos/aceites extraídos de biomasa microalgal.



programa 6 son:

programa 5 son:

• Desarrollar biocombustibles mediante la renación directa de hidro-

tecnologías para la producción de biomasa microalgal

programa 4 son: • Construcción y evaluación de sis-

temas de prototipos de sistemas masivos, para evaluación de sus ventajas en manipulación y costos de producción. • Diseñar la construcción de una

• Investigar la relación entre el estado siológico de la biomasa mi-

croalgal, la composición de la pared celular con la eciencia del proceso

de lisis y extracción/recuperación de hidrocarburos/lípidos.

planta de producción piloto para obtención de biomasa microalgal en dependencias de la termoeléctrica Tocopilla.

• Optimizar procesos para la lisis

• Semi-automatización de sistemas

• Evaluar el rendimiento del proceso

de cultivos masivos en la Unidad de Microbiología Aplicada para determinación de parámetros de cultivos óptimos.

20

celular y posterior extracción/recuperación de lípidos desde biomasa microalgal. seleccionado en biomasa desde cepas de algas genéticamente modicadas para alterar la estructura de la pared celular.


carburos/aceites crudos extraídos de biomasa microalgal. • Validar la tecnología de produc ción de biodiesel por transesterica-

ción química y enzimática utilizando aceites crudos extraídos de biomasa microalgal. • Obtener biocombustibles de hidro-

carburos/aceite crudo de microalgas, a través de procesos de renación por membranas. • Determinar la rentabilidad econó -

mica de los procesos y productos desarrollados.


© Waldo Nell

7microalgal Uso de biomasa para

la producción de compuestos bioactivos

8biogénico Obtención de metano 9 Diseño y a partir de construcción de planta biomasa microalgal

experimental para producir biocombustible de biomasa microalgal

El objetivo general es obtener productos bioactivos a partir de torta microalgal aplicables a la industria alimentaria y biofarmacéutica.

El objetivo general planteado en el subprograma 8 es: Generación de metano biogénico a partir de biomasa microalgal residual.

El objetivo general es: Diseñar y construir Planta Experimental para sintetizar por medio de transeste-

Los objetivos especícos son:


• Caracterizar torta microalgal res -

programa 8 son:

Los objetivos especícos son:

pecto de compuestos de interés (carotenoides, polisacáridos, proteína,

• Optimizar el proceso de diges-

• Denir proceso de síntesis de bio-

tión anaerobia bajo condiciones de alta salinidad y concentraciones de amonio.

• Especicación de subprocesos

ácidos grasos, bra). • Evaluar métodos de extracción de

biocompuestos presentes en biomasa microalgal. • Desarrollar productos en base

a resultados de caracterización y separación de biocompuestos de biomasa microalgal; Evaluación de extractos como neuroprotectores o anti-inamatorio, en cultivos celulares epiteliales, de miocitos de músculo liso, cardiaco, celulas PC12. • Obtener extractos de microalgas,

y principios de bioactivos que permitan desarrollar transferencia tecnológica, cadena de valor, licencias y/o patentes.

• Desarrollar un proceso de reutili-

ricación directa biocombustible a

partir de biomasa microalgal.

combustible en planta experimental para la síntesis de biocombustible en planta experimental

zación de amonio para el cultivo de microalgas.

• Realizar diseño de ingeniería de

• Desarrollar un proceso de reciclaje

• Construir planta experimental en

y captura de CO2 utilizando los culti-

Temuco

vos de microalgas para la renación

• Trasladar e instalar planta experi -

de biogás. • Estudio de pre-factibilidad técnico

económica de los usos potenciales del metano biogénico.

planta experimental

mental en Planta Termoeléctrica en Tocopilla • Puesta en funcionamiento de plan-

ta experimental Planta Termoeléctrica en Tocopilla.

21

La investigación se realiza con el apoyo de la Universidad de Antofagasta y la Universidad de La Frontera, donde participan destacados investigadores con grados de doctor, magíster e ingeniería y técnicos donde adicionalmente se utilizan parte de sus instalaciones como

laboratorios equipados especialmente para realizar este tipo de investigación. En la siguiente gura se muestran

las líneas de investigación que lideran ambas universidades todas ellas gestionadas por la administración de la empresa.

MODELOS DE INTERRELACIONES ENTRE UNIVERSIDADES Y LÍNEA DE INVESTIGACIÓN PARA GENERAR EMPRESAS TECNOLÓGICAS

Desarrollo y optimización Cepas Microalgas

Caracterización-Lisisextracción de aceite

Genes y biotecnología

Producción de Biodiesel

Administración

de microalgas Otros Bioproductos

Apoyo I + D

Sistema de CO2 en cultivo microalga Biogás Planta piloto cultivo

22

Planta piloto biodiesel

Difusión y transferencia


INTERRELACIONES ENTRE LOS SUBPROGRAMAS CORRESPONDIENTES AL CONSORCIO DBSA Y SUS ÁMBITOS DE ACCIÓN I+D

PROGRAMA I+D DEL CONSORCIO SUBPROGRAMA 1 Bases biotecnológicas de Materia Prima en la producción de Biodiesel

SUBPROGRAMA 5 Optimización de procesos de extracción y recuperación de aceites e hidrocarburos desde biomasa microalgales

SUBPROGRAMA 2 Ingeniería Metabólica aplicada a Botryococcus Braunii

SUBPROGRAMA 6 Diseño e implementación de procesos de biocombustibles renados a partir de aceites y biohidrocarburos extraídos de biomasa microalgal SUBPROGRAMA 7 Uso de biomasa microalgal para la producción de compuestos bioactivos

SUBPROGRAMA 3 Biojación de CO2 de origen industrial para la producción de Biomasa Microalgal

SUBPROGRAMA 8 Obtención de Metano biogénico a partir de biomasa microalga

SUBPROGRAMA 4 Desarrollo y optimización de tecnologías para la producción de biomasa microalgal

SUBPROGRAMA 9 Combustión de aceites, biohidrocarburos y biodiesel a partir de biomasa microalgal

LÍNEAS DE TRABAJO PARA LA INNOVACIÓN (Cadena de valor de la producción de biocombustible)

Estudio y selección de Cepas

Crecimiento y producción

NUEVOS

de Microalgas

PROCESOS

Lisis - Secado

NUEVOS PRODUCTOS

Extracción de aceite y

NUEVOS

hidrocarburos

SERVICIOS

SPIN OFF

EMPRESAS

Bioproductos

23

24


SUB PROGRAMA 1

BASES BIOTECNOLÓGICAS EN OPTIMIZACIÓN DE LA CALIDAD DE LA MATERIA PRIMA EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL COMO OBJETIVO GENERAL se plantea asegurar la disponibilidad de inóculos de las mejores cepas productoras de biodiesel y otros bioproductos. Respecto a los objetivos consideramos validar parámetros bióticos

metros al sur de San Pedro de Atacama); Laguna de Peine (San Pedro de Atacama. El Loa, Chile); Jere (se ubica en el borde noreste del gran Salar de Atacama, Cordillera de Domeyko. La colecta se realizó manualmente con y abióticos, ampliar la diversidad especícas de cepas recipientes estériles, dichas muestras fueron recibidas para la producción de biomasa y con ello seleccionar en el laboratorio y puestas en condiciones controladas las cepas potenciales para la producción de diferentes de temperatura (20°C) y luz e inoculadas en dos medios bioproductos (biodiesel, fuente de proteínas, lípidos, de cultivo (f/2 y JM) para su mantención y aclimatación. ácidos grasos, pigmentos antioxidantes). Una vez se- Adicionalmente se realiza una campaña de muestreo de leccionada las cepas, desarrollar un protocolo de man- aguas de mar del condensador de la termoeléctrica de tención y producción constante de inóculos, con la nali- E-CL en Tocopilla. dad de abastecer cultivos experimentales e industriales.

SELECCIÓN La selección de cepas se realiza llevando a cabo recolección de muestras de agua de diversos sectores caracterizados por presentar las condiciones ambientales favorables para el crecimiento microalgal, éstas consideran especícamente radiación solar y diversas concentraciones de sales. Las campañas de recolección de muestras se realiza en: Laguna Cejar (Localizada a 20 kilometros aproximadamente de San Pedro de Atacama, a 2600 mts de altitud); Laguna de Chaxa (Localizada en la segunda región a 7 kilometros al suroeste de Toconao, a 45 kilo-

AISLAMIENTO

El aislamiento fue realizada utilizando una combinación de procedimientos de identicación de microalgas en su

medio natural y en condiciones de cultivo en el laboratorio, usando técnicas de enriquecimiento, microshing,

diluciones seriadas y aislamiento en sólido, con medios enriquecidos tanto para favorecer el crecimiento de clorofíceas y diatomeas. Las cepas aisladas se mantienen en cultivos en líquido y respaldadas por cepario en sólidos, los cultivos al momento de alcanzar una concentración mínima se registraron microfograas de campo claro y de epliuorescencia. El principal objetivo

25

de éste procedimiento es identicar cualitativamente las

las cepas microalgales en las Unidades Relativas de

cepas que presentar acumulación de lípidos intracelula-

Fluorescencia (URF), éstos resultados cuanticaran la

res y registrar su tamaño. Las celulas que uorescen a un ltro de luz especico frente al microscópico, son se-

cantidad de lípidos presentes en cada una de las cepas. Las campañas de muestreo resultaron en un total de 24 cepas microalgales aisladas, seleccionando el 88% de ellas, la clase más abundante encontrada fue Clase Bacillariophyceae, seguida por el 13% de la Clase Chlorophyceae (Tabla 1).

leccionadas por presentar cualitativamente acumulación de lípidos.Posterior a obtener las cepas aisladas éstas se inoculan en un medio enriquecido en fuente de nitrógeno, para facilitar y optimizar su crecimiento y así obtener la concentración celular necesaria para caracterizar

TABLA 1 | CANTIDAD DE CEPAS AISLADAS POR SECTOR DE MUESTREO PUNTOS DE MUESTREO

N° DE CEPAS AISLADAS

N° DE CEPAS SELECCIONADAS

CLASE BACILLARIOPHYCEAE

CLASE CHLOROPHYCEAE

Cejar

7

6

6

C1

Chaxa

8

8

8

ND

Jere

4

4

4

ND

Peine

2

1

1

1

ACT

3

2

2

1

TABLA 2 | TAMAÑO CELULAR (ΜM) Y LÍPIDOS TOTALES POR EPIFLUORESCENCIA IDENTIFICACIÓN

CEJAR

CEJAR

CEJAR

CEJAR

CEJAR

CEJAR

CEJAR

CHAX

CHAX

CHAX

CHAX

1

3 9

4

5

a2 5

a3 6

a5

12

7 7

a1

6

6 22

7

a6 9 SI

TAMAÑO (µm)

10

2 20

* LÍPIDOS

SI

SI

SI

SI

SI

SI

NO

SI

SI

SI

SI

IDENTIFICACIÓN

CHAX

CHAX

JERE

JERE

JERE

JERE

ACT2

ACT3

1

TAMAÑO (µm)

a8 8a9

12

2 10 a 13

3.1 12

3.2 12

PEINE Café

ACT1

a7 5a8

PEINE Verde 4

5

8

6

13

* LÍPIDOS

SI

SI

SI

SI

SI

SI

NO

SI

NO

SI

SI

6a7

REGISTRO DE CEPAS AISLADAS EN DIFERENTES PUNTOS DE MUESTREO A

LAGUNA DE CEJAR (A) Microfotografía de campo claro; (B) Microscopia de epiuorescencia (uorescencia

amarillo oro indica lípidos totales); aumento 100x

26

B

CHAX


A

B

LAGUNA DE CHAXA (A) Microfotografía de campo claro; (B) Microscopia de epiuorescencia (uorescencia amarillo oro indica lípidos

totales); aumento 100x. A

B

JERE (A) Microfotografía de campo claro; (B) Microscopia de epiuorescencia (uorescencia amarillo oro indica lípidos

totales); aumento 100x. A

B

LAGUNA DE PEINE (A) Microfotografía de campo claro; (B) Microscopia de epiuorescencia (uorescencia amarillo oro

indica lípidos totales); aumento 100x.

27

TOCOPILLA AGUA DE MAR (A) Microfotografía de campo claro; (B) Microscopia de epiuorescencia (uorescencia amarillo oro indica lípidos

totales); aumento 100x.

B

A

La siguiente etapa en la búsqueda de cepas microalgales productoras de sustancias bioactivas, contempla la adaptación de ellas a cultivos intensivos. En esta fase las cepas seleccionadas son expuestas a las condiciones de cultivo controladas de luminosidad, temperatura, pH y nutrientes. Debido a que cada grupo de células tiene condiciones de crecimiento variables dependiendo

de su fuente natural de crecimiento, lo primero es evaluar el efecto de diversos medios de cultivos reportados bibliográcamente como óptimos en diversas cepas microalgales (Chu 13, F/2, Jaworski’s Medium, Fiztgerald y BG-11), los cuales servirán como línea base para determinar la capacidad de cada cepa a la adaptación en condiciones de cultivo intensiva.

CURVA DE CRECIMIENTO DE UNA DE LAS CEPAS MICROALGALES AISLADAS Y CULTIVADAS EN CONDICIONES CONTROLADAS

e d r e v T C A m n 0 4 5 a c i t p ó d a d i s n e D

Tiempo (días)

28

Tiempo (días)


Caracterizar las cepas seleccionadas en cuanto a la cantidad de lípidos determinado gravimétricamente de cada

productora o no de algún subproducto de interés comercial. Algunas de las cepas aisladas en el subprograma 1 etapa 1 con su nombre científico a nivel de especie.

una de ellas y, clasicarlas en cuanto a su potencial como

Phaedactylum

Amphora

Chlorella

Navicula

Fragillaria

Nitzschia

RESUMEN DE LAS CEPAS QUE MEJOR SE ADAPTARON A CONDICIONES DE CULTIVO MASIVO EN CUANTO A SU PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS CEPA

MEDIO DE CULTIVO

% LÍPIDOS

SATURADOS

MONOPOLIINSATURADOS INSATURADOS

Cb g/L

ACTVerde

UMA 3

12,3

2,5

2,5

7,3

0,66

ACTVerde

UMA 3 + 1xFe

10,2

2,2

2,4

5,6

0,82

Mesocosmos

UMA 3

10,2

2,6

3,9

4,4

0,6

Mesocosmos

UMA 3 + 1xFe

13,2

3,3

4,7

5,2

0,87

RESUMEN DE LAS CEPAS QUE MEJOR SE ADAPTARON A CONDICIONES DE CULTIVO MASIVO EN CUANTO A SU PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS CEPA

MEDIO DE CULTIVO

HUMEDAD

PROTEÌNA

% LÍPIDOS

CENIZAS

FIBRA CRUDA

Mesocosmos

UMA 2

1,4

46,1

4,5

14,5

0,4

ACTVerde

UMA 2

0,3

3,42

B. braunii

UMA 2

3,4

31,4

7,7

27,2

1,8

Scenedesmus

F/2

8,8

17

4,5

3,4

2,9

Chlorella

F/2

11

31

12,1

11,5

7,2

F/2

7,9

48,2

7

7,2

2,1

pyrenoidosa Chlamydomonas sp.

29

IDENTIFICACIÓN TAXONÓMICA DE TODAS LAS CEPAS AISLADAS Y MANTENIDAS EN EL CEPARIO DE LA UNIDAD DE MICROBIOLOGÍA APLICADA

30

RÓTULO UMA mesocosmos

ESPECIE Phaeodactylum tricornutum

ACT CAFÉ

Denticula kuetzingii

A 7,4

Chlorella vulgaris

MI 2L

Bacillariophyta sp. Fragillaria sp.

Cejar 5

Nitzschia sp.

Q

Amphora cf. Capitellata

ACT VERDE

Tetraselmis sp.

Caldera D1

Psammodictyon sp.

Chaxa 5

Amphora coffeaeformis

A 7,2

Nitzschia communis

MI 2 cH

Cylindrotheca closterium

D

Denticual kuetzing

Caldera E

Psammodictyon sp.

Peine CAFÉ


PS

Chlorella pyrenoidosa

Ec


Jere

Navicula brockmannii

>> Curva de crecimiento de una de las cepas microalgales aisladas de agua de mar. Escalamiento realizado desde laboratorio (2 – 25 litros) – Hasta cultivos outdoor en sistemas de cutlivo cerrado 0,4 – 1 m3.

CURVA DE CRECIMIENTO DE UNA DE LAS CEPAS MICROALGALES 2,0

a s p o e t r c i l 1,6 e d 0 0 4 o r e t i l d r s 1,2 o a p s s l o o b m n 0,8 a r e g s n o e m a s 0,4 s o a c m o s o e i B m 0,0

1

Tiempo (días)

3

5

7

10

12

14


SUB PROGRAMA 2

INGENIERÍA METABÓLICA APLICADA A BOTRYOCOCCUS BRAUNII EL OBJETIVO GENERAL PLANTEADO en éste subprograma es identicar los genes involucrados en la biosíntesis de hidrocarburos en Botryococcus braunii y analizar su funcionalidad en huéspedes heterólogos, como también desarrollar la biotecnología microalgal para obtener una microalga recombinante y/o la sobreexpresión de las proteínas involucradas en la biosíntesis de hidrocarburos.

LOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Identicar los genes involucrados en la biosíntesis

de hidrocarburos en Botryococcus braunii y analizar su funcionalidad en huéspedes heterólogos.

Sin embargo, al trabajar con una especie no secuenciada, fue necesario plantear como primer objetivo secuenciar su genoma y transcriptoma, lo que permitió descifrar en parte, la caja negra que subyace bajo la producción de ácidos grasos en Botryococcus braunii. Los principales resultados obtenidos consisten, luego de un análisis bioinformático, tener los primeros genes candidatos, que pueden estar funcionando en la microalga para producir ácidos grasos. Se identicaron varios genes involucrados en diversas ru-

tas metabólicas de ácidos grasos, con los cuales se traba• Ampliar la diversidad genética y especíca de cepas jara para determinar su relación directa en la biosíntesis en la microalga. Para esto se usara la validación usanpara la producción de biodiesel y bioproductos. do real-time PCR. Luego de esto se espera dirigir todo • Desarrollar la biotecnología microalgal para obtener una la investigación desarrollada en el subprograma a la microalga recombinante y/o la sobreexpresión de las proobtención de una microalga recombinante que pueda soteínas involucradas en la biosíntesis de hidrocarburos. breexpresar alguno de los genes y así aumentar la proRESUMEN ducción de ácidos grasos. Se realizó una reprogramación La ingeniera metabólica se reere al uso de genes y pro- de resultados dirigida especícamente a la clonación de teínas pertenecientes a una especie en particular, que le los genes involucrados en las rutas metabólicas de ácidos otorga a ella alguna característica especica. Bajo esta grasos en huéspedes heterólogos. Primero se determinapremisa es posible aumentar y mejorar ciertas caracterís- ra si se cuenta con la secuencia completa de estos geticas de interés biotecnológico entre una especie y otra. nes, y se evaluará su clonación en vectores de expresión

31

en Escherichia coli. Luego se evaluará la transformación genética en una microalga modelo, Chlamydomonas reinhardtii. Identicación de los genes involucrados en la biosíntesis

de hidrocarburos en Botryococcus braunii y analizar su funcionalidad. En B. braunii se desconocen las vías de síntesis de hidrocarburos y ácidos grasos, los genes que codican las enzimas involucradas en estas vías

y como éstas se interrelacionan. Según lo descrito se plantea que las vías de síntesis de isoprenoides dan origen a monoterpenos, sesquiterpenos y diterpenos (Holstein and Hohl, 2004), los cuales constituyen hidrocarburos de origen natural. Una estrategia para descifrar la maquinaria biosintética de esta microalga es analizar su transcriptoma, primero utilizando inhibidores de la síntesis de ácidos grasos y realizando

GENES DEL TRANSCRIPTOMA SELECCIONADOS PARA VALIDAR SU EXPRESIÓN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

32

GENES

CT1

CURVA MELTING

CT2

CURVA MELTING 2

CT3Z

CRITERIO

% EFICIENCIA

CoppB CyanoG CytB6 CytBC1 CytC Cytox CytP450 dnaD Hel56 Elf Etef1 Atpsyn Ferthio Ferche FeSOD FlacytC GluFru6 GluRex GluSTM Glust Gly3Pdh HSP HSP90 C5S1des Dagat FAD FAD3 MnSOD S9des S14des Tagli ABC1 ThioRed ACTBB CytP450R Btub Btub2B Bact Cop9 Coppt

33.90 33.72 30.79 37.04 37.04 33.42 N.D. 35.29 32.76 33.42 33.62 32.12 34.53 N.D. 29.49 N.D. 33.2 34.77 N.D. 34.63 30.1 32.33 29.08 N.D. N.D. 31.23 N.D. 30.83 29.77 37.13 32.89 N.D. 33.57 30.75 33.54 26.35 31.25 37.15 N.D. 8.2

OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK -

N.D. 34.91 N.D. 34.9 33.9 N.D. N.D. N.D. 35.97 35.91 33.89 35.9 37.12 N.D. 30.88 N.D. 32.88 N.D. 34.91 35.9 30.88 33.93 30.91 33.89 36.99 31.91 N.D. 31.91 29.92 N.D. N.D. N.D. 31.9 31.88 35.9 26.88 32.91 N.D. 6.23 33.91

OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK

N.D. 35.9 31.9 N.D. 33.88 35.88 N.D. 37.9 35.8 34.89 40.9 35.91 32.9 N.D. N.D. 34.91 35.90 N.D. 42.1 37.89 33.84 33.89 36.9

NO SI SI NO SI SI NO NO SI SI SI SI SI NO SI NO SI NO NO SI SI SI SI SI NO SI NO SI SI SI SI NO SI SI SI SI SI SI NO SI

95 -

32.87 42.19 N.D. 33.9

106 101 96 105 105 83 101 96 -


una librería substractiva y luego con el diseño y análisis del transcriptoma completo de esta microalga (substractive sequencing hibridization SSH, 454 sequencing, real time PCR, etc).

O-aciltransferasa 2b, y otros directamente relacionados. Además se seleccionaron otros genes relacionados con el metabolismo general de la microalga y algunos genes marcadores de estrés.

PRINCIPALES RESULTADOS

Los partidores se diseñaron usando el software Primer Express 3.0. Adicionalmente se evaluaron los par-

Los principales resultados obtenidos en este subprograma son:

tidores diseñados y se determinaron su especicidad, amplicación (CT) y su porcentaje de eciencia y la

• Preparación de material biológico de B. Bbraunii:

Protocolo estandarizado de extracción de ácidos nucleicos (RNA y DNA) para B. braunii, que es aplicable a otras microalgas en general. • Extracción de RNA total – vericación de calidad y

cantidad: Principal resultado: Protocolo estandarizado de uso mediante un nanoespectrofotometro. • Preparación de cDNA: Protocolo estandarizado utilizan-

do kit de marca Fermentas (Life Technologies). • Selección y validación de genes housekeeping para

B. braunii: Cuatro genes seleccionados de housekeeping como son GAPDH, -actina, 18SrDNA y -tubulina. Se estandarizo su uso para efectos de validación en la expresión de genes blanco. • Selección y validación de genes housekeeping para

factibilidad de trabajar con ellos en tiempo real.

experimentos en

Usando las secuencias obtenidas desde el análisis bioinformático del transcriptoma de B.braunii se identicaron in silico varios genes descritos como posibles genes housekeeping y genes responsables de la síntesis de ácidos grasos. Las secuencias correspondientes a estos genes fueron usadas para el diseño de partidores usando el software Primer Express 3.0. Luego se realizó extracción de RNA total desde cultivos de la microalga en diferentes condiciones tales como, fase de crecimiento, deprivación de nitrógeno, aumento de salinidad, esto con la nalidad de tener

diversidad de condiciones y así validar si la expresión de los genes es constitutiva o no. Se validó la expresión de los genes Ef-tu, -tubulina, -actina y Gapdh, determinándose mediante análisis estadístico usando el software Bestkeeper, que el mejor control de expresión constitutiva lo constituye el gen de la -tubulina, seguido por Gapdh.

B. braunii: Cuatro genes seleccionados de housekeeping como son GAPDH, actina,18SrDNA y tubulina. Se estandarizo su uso para efectos de validación en la Ambos genes ( -tubulina y Gapdh) serán usados para expresión de genes blanco. cuanticar y validar la expresión de los genes involuPara validar la expresión de los genes involucrados en crados en la biosíntesis de ácidos grasos. la síntesis de ácidos grasos y otros, se seleccionaron 40 genes, entre ellos c5-sterol desaturase, diacilglicerol Validación de la expresión en las diferentes fases del

33

crecimiento de B. braunii para su correlación con la síntesis de ácidos grasos.

de valores 80-115) fueron utilizados y se determinó su expresión cada 5 días durante el crecimiento de la microalga en reactores tipo batch de 20 litros con medio nutritivo UMA2, a 20°C, con iluminación

continua y con un numero de réplicas n=3. Con intervalos de 5 días se tomaron 200 ml de cada réplica, se centrifugaron y se procedió a eliminar la carga bacteriana usando un protocolo de lavado celular descrito en Rivas et al. (2010). Luego el pellet se almacenó a -80°C o bien se procedió a la extracción inmediata de RNA total para su posterior almacenamiento a -80°C.

TABLA 1 | EXPRESIÓN DE EL GEN DELTA 9 DESATURASA AL DÍA 25 DE CULTIVO

TABLA 2 | EXPRESIÓN DEL GEN DELTA 12 DESATURASA AL DÍA 25 DE CULTIVO

Los genes para los cuales se pudo determinar una eciencia de los partidores cercana al 100 (rango

Delta 9 Desaturasa/ tubulina1

120

Delta12-des

100 10 80

8 n o i s s e r p x e e v i t a l e R

6

60

4

2 0,0 D5

D10

D15

D20

D25

D30

Tiempo (días)

n o i s 40 s e r p x e e 20 v i t a l e R 0,0

>> Expresión del gen Delta 9 desaturada.

10 15 20 25 30 Tiempo (días) >> Expresión del gen Delta 12 desaturasa día 25 de cultivo.

DELTA 9-DESATURASA

DELTA 12-ÁCIDO GRASO-DESATURASA

Estearoil-coA 9 desaturasa (S9-des) (EC 1.14.19.2).

La 12-desaturada o ácido graso desaturasa (fatty

Δ9-desaturasa, también conocida como estearoil-CoA

acid desaturase, FAD) (∆12-des) (EC 1.14.19.6),

desaturasa-1, es usada para sintetizar ácido oleico, un ác. graso monoinsaturado, componente ubicuo de to-

cumple la función de desaturar el ácido oleico (18:1n-9) para formar ácido linoleico (18:2n-6). La validación permitió determinar que la mayor expresión para el mRNA de este gen ocurre alrededor de los días 25 y 10 de cultivo en Batch (Tabla 2)

das las células. La Δ9-desaturasa produce ác. Oleico

por la desaturación del ác. Esteárico, un ác. Graso saturado. Ambos son sintetizados en las células desde ác. Palmítico. Ambas enzimas se encuentran relacionadas con la biosíntesis de ácidos grasos en B. braunii race A (UMA2), comprobando la aproximación descrita por Baba et al. [2012]. En la Tabla 2 claramente se puede observar que la mayor expresión del mRNA de este gen ocurre en el día 25 de cultivo en batch de la microalga (Tabla 1).

34

5


SUB PROGRAMA 3

BIOFIJACIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) DE ORIGEN INDUSTRIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL El objetivo general planteado es aprovechar fuentes industriales emisoras de dióxido de carbono para su utilización como fuente de carbono en cultivo de microalgal.

LOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Diseñar e instalar sistema de captación de gases de

combustión proveniente de fuentes emisoras e inyección de estos en los sistemas de cultivos microalgales. • Determinar la concentración óptima de gases de com-

bustión, principalmente dióxido de carbono en cultivos microalgales a nivel primario y masivo. • Probar a nivel piloto la tecnología desarrollada.

Se instaló una planta piloto para producir biomasa de origen microalgal en las instalaciones de Electro Andina, EC-L en la ciudad de Tocopilla, en una supercie de 700

metros cuadrados, en la cual se instalaron 18 reactores

de bolsas de 1 metros cúbicos de capacidad y tres Race way de capacidad entre 4,7 – 5,5 m3 metros cúbicos respectivamente, junto a los sistemas auxiliares de agua, aire, conducción de gases de combustión y cosecha de microalgas. En Diciembre 2013 fue culminada la implementación de la línea de gas de combustión y abastecimiento de agua de mar, a partir de dicha fecha se inició la puesta en marcha, evaluando el funcionamiento del compresor de gas de combustión, las líneas accesorias, sistemas de inyección y ujos de gas. Posterior a obtener los resultados de la exposición, los cuales indicaron que un cultivo con control de pH (pH=8) mediante inyección de gas de combustión mejora el aprovechamiento de los nutrientes y por consiguiente la producción de biomasa en un 26%, dichos resultados nos dan el pie inicial para mejorar las condiciones de operación y adaptabilidad de la cepa mi-

35

croalgal para seguir en la línea de optimizar la producción y operación continua de la planta piloto de Tocopilla. A partir de Mayo del 2014 iniciamos con el control automático de inyección de gases de combustión, esto nos ha permitido mejorar las producciones y aumentar el volumen de producto diario, consiguiendo tener los primeros resultados de la calidad de la biomasa expuesta a este tipo de gas. De dichos resultados los más importantes sería la acumulación de metales pesados en la biomasa, de los cuales cabe destacar que todas las biomasa producidas hasta el momento en la planta de Tocopilla (con o sin gas de combustión) se encuentran bajo la norma para ser incorporada como suplemento alimenticio en ganado (max 30 mg/kg), peces (max 5 mg/kg), aves (max 30 mg/ kg) y además como materia prima para uso en fertilizantes (max entre 21 a 41 mg/Kg).

ACTIVIDADES ASOCIADAS Registro de la composición de los gases de combustión Unidad 14 y 15 de E-CL La termoeléctrica realiza un monitoreo constante de la composición de los gases de combustión correspondiente a la unidades 14 y 15 de las cuales la planta está obteniendo el gas de combustión para realizar el control de pH mediante inyección automática. Las concentraciones de CO2 y NOX se encuentran en el rango aceptable y tolerable para la cepa en estudio. Es importante poner especial atención las elevadas concentraciones que registra el dióxido de azufre (SO 2), debido a que la bibliografía reporta que cuando la microalga se ve expuesta a niveles cercanos a los 400 ppm, el pH disminuye por debajo de 4 en 24 hrs, y esto puede causar decaimiento del cultivo en menos de 2 días.

IMPLEMENTACIÓN DE CAPTACIÓN E INYECCIÓN DE GAS DE COMBUSTIÓN PLANTA PILOTO TOCOPILLA CARACTERIZACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LOS GASES Filtro de arena

Cañería agua de mar

Sistema de Ozono Centrífuga

Recirculación

Línea de gas

CO2 puro

Sistema B400 Ocina camarín - bodega

Línea de Gas de Combustión Interna

Módulo Biodiesel Sistema 3m3

Red de cosecha Red de Claricado

Línea de gas de combustión

36


CARACTERIZACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LOS GASES

COMPONENTE

REGISTRO DE COMPOSICIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN UNIDAD 14 Y 15 E-CL* MIN MAX

LÍMITES TOLERABLES PARA N.GATIDANA RESPALDO BIBLIOGRÁFIO JIAN & ZHANG (2013)** MIN MAX

UNIDAD

CO2

8

12

10

20

%

NOX

212

265

100

300

PPM

SO2

382

955

100

400

PPM

* Registro proporcionado de laboratorio monitoreo E-CL

** Publicaciones cientícas 2013

REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LA INTERCONEXIÓN DE LAS UNIDADES 14 Y 15 DE LA CENTRAL E-CL TOCOPILLA Y LA PLANTA DE CULTIVO DE MICROALGAS LÍNEA DE GAS COMBUSTIÓN EXTERNA

Válvula de cierre de conexión línea 14 y 15 E-CL

Compresor de aire, acumulador y ltro de

gas de combustión

Condensador

Línea de gas: Cañería de acero al carbono

Válvula de seguridad eliminación de condensado

37

REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LA LÍNEA DE GAS DE COMBUSTIÓN INTERNA DE LA PLANTA PILOTO DE CULTIVO DE MICROALGAS – TOCOPILLA LÍNEA DE GAS COMBUSTIÓN INTERNA

Ingreso de línea de gas a planta de microalgas

Rotámetro: ujo de

ingreso de gas a los sistemas de cultivo

38

Compresor capacidad 1 m3

Regulador de presión


SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE PH Las unidades de cultivo cerrado (m3) y Abierto (RW) cuentan con un sistema de registro de pH mediante un electrodo y controlador, el cual emite la señal hacia el programa DAQFactory. Dicho programa está congurado para controlar los niveles de pH en el medio de culti-

vo, dicho control funciona accionando las electroválvulas para permitir el paso del gas de combustión. El ujo al cual entra el gas al cultivo es controlado nalmente

mediante un rotámetro. La mantención de las condiciones de pH optima (7-8) mediante inyección de gases de combustión, genera un aumento en la producción promedio de un 26%.

SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE PH MEDIANTE INYECCIÓN DE GAS DE COMBUSTIÓN

CONTROL AUTOMÁTICO DE PH MEDIANTE LA INYECCIÓN DE GAS DE COMBUSTIÓN NANNOCHLOROPSIS GADITANA – SISTEMA DE CULTIVO 1 M3 M3 (s/Gas)

M3 (c/Gas)

1,4 L / g , s e l a t o T s o d i l ó S

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0

5

10

15

20

25

30

Tiempo (días)

39

ANÁLISIS DE METALES PESADOS EN BIOMASA OBTENIDA EN CULTIVOS DE N.GADITANA PLANTA PLANTA PILOTO TOCOPILLA Respecto a la composición de metales pesados presentes en la biomasa microalgal, se presentan resultados de biomasa microalgal sin exposición obtenidos en octubre 2013 con niveles cuanticables de 1,6 mg/kg y biomasa expuesta aproximada-

mente 30 días al gas de combustión que contienen entre 0,12 - 0,368 mg/Kg de biomasa, en todos los casos la composición de arsénico está bajo la norma para alimento para uso en acuicultura o agricultura.

DETERMINACIONES/RESULTADOS DE LOS ENSAYOS ENSAYOS (METODOLOGÍAS)

U N ID A D

LD

LC

32586

Arsénico (6)

mg/kg

0,003

0,010

1,621

Cadmio (8) (**)

mg/kg

0,05

0,10

<0,05

Resultados

Mercurio (4) (**)

mg/kg

0,005

0,010

0,007

2013

Plomo (8) (**)

mg/kg

0,2

0,5

<0,2

DETERMINACIONES/RESULTADOS DE LOS ENSAYOS

40

ENSAYOS (METODOLOGÍAS)

U N ID A D

LD

LC

49512

Arsénico (2)

mg/kg

0,003

0,010

0,120

Cadmio (3) (**)

mg/kg

0,05

0,10

<0,05

Mercurio (1) (**)

mg/kg

0,005

0,010

0,005

Plomo (3) (**)

mg/kg

0,2

0,5

<0,2

Resultados 2014 Microalga expuesta a gases de combustión


SUB PROGRAMA 4

DESARROLLO Y OPTIMIZACIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL El objetivo general planteado es optimizar las condiciones de operación, deniendo los parámetros de cosecha,

centrifugación, obtención del producto y calidad del mismo. Todo lo anterior con el n de establecer condiciones

constantes y estables de operación.

LOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Construcción y evaluación de sistemas de prototipos de

sistemas masivos, para evaluación de sus ventajas en manipulación y costos de producción. • Diseñar la construcción de una planta de producción

piloto para obtención de biomasa microalgal en dependencias de la termoeléctrica de Tocopilla. • Semi-automatización de sistemas de cultivos masivos

en la Unidad de Microbiología Aplicada para determinación de parámetros de cultivos óptimos. Las actividades contempladas en el presente subprograma considera el trabajo de investigación base en la optimización de las condiciones y sistemas de cultivo, lo cual se encuentra desarrollado en la etapa N°1, donde a la fecha tenemos denidos la calidad y cantidad de nutrientes nu trientes

a utilizar en los medios de cultivo, éstos mismos han seguido en la línea de optimización en la eciencia y costos

asociados. En base a esto hemos logrado en la actualidad reducir el costo del medio de cultivo en aproximadamente un 50%, realizando el remplazo de los nutrientes de grado técnico por fertilizantes agrícolas de bajo costo, dichos resultados nos permite producir niveles similares en producción de biomasa (0,04 g/L día) con un aumento en la acumulación de lípidos. Además están denidas un

80% de las estrategias de cultivo masivo, las cuales consideran: porcentajes de inoculación, tasas de cosecha, cultivo de modo semicontinuo y protocolos de manejo productivo para cada uno de los sistemas, Metodologías de reducción de volúmenes de cosecha mediante la técnica actualmente en evaluación (Floculación con FeCL3). La Planta Piloto de Tocopilla se encuentra construida y habilitada funcionando actualmente con niveles productivos superiores (1 – 1,2 g/L) a los obtenidos con anterioridad en la Universidad de Antofagasta (0,5 – 0,7 g/L). Los sistemas de cultivo instalados fueron; sistema de cultivo cerrado 0,4 m3 (8 unidades) 8 unidades, sistema de cultivo cerrado tipo panel 1m3 (18 unidades) y sistema de cultivo abierto tipo Raceway 6 m3 (3 unidades). La Planta Plant a piloto de Tocopilla (PPT) funciona actualmente con control de pH. Las líneas de gas de combustión y agua de

41

mar que alimentarán la planta están en funcionamiento desde Octubre del año 2013. Actualmente la PPT posee una capacidad productiva Actualmente productiva de 38 m3 divididos en: 3,2 m3 en sistema de cultivo cerrado (0,4 m3); 18 m3 en sistemas de cultivo cerrado 1 m3 y 16,7 m3 en sistemas de cultivo cerrado (raceway 5,6 m3). La etapa de puesta en marcha de la PPT, a resultado con éxito debido a que se disminuyeron los tiempos de inoculación utilizando una técnica desarrollada en la Unidad

de Microbiología Aplicada, dicha técnica de inoculación permite transportar volúmenes de inóculo razonable y acortar el escalamiento en aproximadamente 21 días. Respecto a las metodologías de concentración y transporte de biomasa, actualmente están siendo evaluadas a escala masiva las dosis de oculante determinado y realizando modicaciones al manejo y recuperación del claricado y oculo con el n aumentar la eciencia de oculación.

Control inyección CO2

Sistema de cultivo cerrado tipo panel (1 m3)

Sistema de control y gestión de parámetros

42

Registro de luminosidad y temperatura ambiente

Software de control y registro de parámetros


1. SEMI-AUTOMATIZACIÓN DE SISTEMAS DE CULTIVOS A ESCALA PILOTO, USADOS EN LA U. DE ANTOFAGASTA Se realizó la instalación de un sistema de control de pH mediante inyección de CO2 puro, además de incluir registro de oxígeno disuelto, temperatura del cultivo, temperatura ambiental y radiación solar, en los sistemas de cultivo tipo panel (1 m3) de la Universidad de Antofagasta.

del cultivo y evitar un descenso del mismo. Para ellos se registraron los niveles de pH durante la preparación del medio de cultivo lo cuales con la adición del tampón (T1) el pH bajo a 5,9 y al tratamiento sin adición de tampón (T2) bajo a 5,2 (Tabla 4). Adicionalmente se vericó la producción de biomasa para cada tratamiendo, resultando una diferencia signicativa entre los

tratamientos, siendo el tratamiento 1 un 30% superior el tratamiento 2 (Tabla 5). 7,0

2. EVALUACIÓN DE PROTOTIPOS MASIVOS

6,0

a. Calidad y cantidad de nutrientes

5,0

La cepa en estudio fue cultivada en sistemas de cultivo cerrado, evaluando diferentes concentraciones de la fuente de Nitrógeno, manteniendo siempre la proporción 5:1 con la fuente de fosforo. Los resultados muestran que un cultivo con 6 mM de NaNO 3, presenta una

4,0 3,0 2,0

diferencia estadísticamente signicativa con el resto de

1,0

los tratamientos.

0,0

0,014 0,012 ) a í d L / g ( a s a m o i b P

Agua de Mar

Agua + Cloro

Agua Adición Medio Neutralizada de cultivo

>> TABLA 4 | Variación de pH durante la preparación del

0,010

medio de cultivo.

0,008 0,006

0,35

0,004

0,3

0,002 0,0

T1 T2

H p

) L / g ( a s a m o i b e d n ó i c c u d o r P

0,25

3mM NaNO3

6mM NaNO3 9mM NaNO3

12mM NaNO3

>> TABLA 3 | Productividad de biomasa (g/L día) de

Nannochloropsys sp en sistemas de cultivo cerrado (Bolsas de 400L).

b. Calidad de agua Estudio de la variación de pH en el tratamiento de agua, durante inoculaciones y semicontinuos. Debido a que durante la preparación del cultivo los niveles de pH disminuyen por la adición de los nutrientes lo cual es letal en los cultivos microalgales, se evaluó la variación del pH durante la desinfección del agua y adicionalmente se utilizó un tampón de grado técnico (bicarbonato de sodio) para corregir inicialmente el pH

0,2

0,15 0,1

0,05 0

T1

Tratamientos

T2

>> TABLA 5 | Producción de biomasa de Nannochloropsys

sp en un cultivo con adición de bicarbonato de sodio como tampon de pH.

c.Concentración de inóculo Siguiendo la línea de optimización de las condiciones de cultivo, es primordial considerar evaluar la concen-

43

tración de inoculación en los sistema de cultivo a utilizar en la planta piloto, esto nos permitirá determinar que volumen de cultivo microalgal inicial se debe utilizar, optimizando el tiempo de inicio del cultivo semicontinuo, ahorro en la cantidad a utilizar de inóculo y evitar fotohinibición por exceso de luz.

Para ellos se evaluaron diferentes concentraciones de inoculación en el sistema de cultivo cerrado tipo panel 1 m3 y en el sistema de cultivo abierto tipo Raceway 7 m3 Los resultados muestran que al utilizar un 30 % de inóculo la productvidad es un 40% superior que el 20% de inóculo.

TABLA 6 | PRODUCCIÓN DE BIOMASA (A) Y PRODUCTIVIDAD DE BIOMASA (B) DE NANOCHLOROPSYS SP EN SISTEMA DE CULTIVO CERRADO TIPO PANEL (1m3) 20%

30%

0,09 0,08 0,07 0,06 a í d L / g a s a m o i B

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 0

10

5

15

20

Tiempo (días) >> TABLA 6 | Producción de Biomasa (A) y Productividad de Biomasa (B) de Nannochloropsys sp en sistema de cultivo

cerrado tipo panel (1m3).

La planta piloto de microalgas con inyección de gases de combustión, utilizando agua de mar en forma continua todo el año, para ello disponemos de operadores provenientes del Liceo Politécnico de Tocopilla. Esta planta piloto ha permitido validar condiciones reales de operación y cultivo de microalgas determinando las principales variables que denen el proceso masivo de

microalgas y los costos que existirían en una planta in-

44

dustrial de microalgas. Esta planta también es sustentable con el medio ambiente ya que recicla todos los residuos como serían en una planta industrial. El gran logro de esta planta ha sido operada en forma continua y a nivel masivo simulando condiciones industriales de cultivo de microalgas.


Construcción, habilitación y montaje de equipos en la planta piloto de producción microalgal en Tocopilla La construcción, habilitación y montaje del equipamiento en la planta piloto de Tocopilla nalizó en Abril del 2013, contando con laboratorios y ocinas, sistemas de culti-

vos cerrados de 0,4 y 1 m3 y sistemas de cultivo abierto (4,7 – 5,5 m3). Obteniendo un volumen efectivo de cultivo entre 3 - 37 m3.

PLANTA PILOTO DE CULTIVO DE MICROALGAS TOCOPILLA

Filtro de arena

Cañería agua de mar

Sistema de Ozono Centrífuga

Recirculación

Sistema de recirculación y tratamiento de agua de cosecha Centrifugación Línea de gas

CO2 puro

Sistema B400 Ocina camarín - bodega

Línea de Gas de Combustión Interna

Módulo Biodiesel Sistema 3m3

Red de cosecha Red de Claricado

Línea de gas de combustión

>> Planta Piloto de cultivo de microalgas Tocopilla

45

>> Construcción Planta Plioto de cultivo de microalgas Tocopilla.

>> Sistemas de cultivo cerrado (0,4 – 1 m3).

46


>> Sistemas de cultivo cerrado 1 m3).

>> Sistemas de cultivo abierto tipo Raceway (4,7 – 5,5 m3).

HABILITACIÓN SISTEMA DE INYECCIÓN GAS DE COMBUSTIÓN La central térmica de Tocopilla cuenta con dos chimeneas (unidades 14 y 15), la línea completa de implementación de control de pH mediante inyección de gas se compone de:

LÍNEA EXTERNA: La línea de gas externa inicia en las conexiones de las unidades 14 y 15 de la central térmica E-CL Tocopilla, ambas líneas se unen en una línea

principal de acero inoxidable, el enfriamiento produce un condensado el cual es capturado en un reactor. Este condensador cuenta con un ingreso y salida del gas, además de un visor de nivel. Posterior al condensador la línea sigue en acero al carbono hasta la planta de microalgas (300 metros).

LÍNEA INTERNA: La línea interna de gas inicia en el ingreso a la caseta que contiene el ltro de gas y el

compresor de aire de capacidad de 1 m3 de volumen, el equipo trabaja a una presión interna de 10 bar y se

47

controla la salida a la línea de distribución de gas de los sistemas de cultivo con un regulador de presión a 2 - 5 bar, terminando en un rotámetro el cual permite regular el volumen de ingreso (max.130 LPM). Difusores de gas: Los difusores de gas de combustión se diseñaron en función de las necesidades de cada tipo de sistema de cultivo (cerrado tipo panel de 1 m3 y abierto tipo Raceway).

PANEL 1 M3: El gas de combustión ingresa al sistema de cultivo separada del aire para la agitación, mediante un difusor fabricado en manguera porosa y jado al fondo

con la ayuda de una varilla de acero inoxidable.

RACEWAY 4,7 M3: El gas de combustión ingresa al cul-

tivo en un foso incorporado en el sistema de cultivo, la difusión del gas es mediante dos discos microporosos. Sistema de Control automático de pH mediante inyección de gas de combustión: Las unidades de cultivo cerrado (1 m3) y Abierto (RW) cuentan con un sistema de registro de pH mediante un electrodo y controlador, el cual emite la señal hacia el programa DAQFactory, dicho programa está congurado para controlar los niveles de pH en el

medio de cultivo, dicho control funciona accionando las electroválvulas para permitir el paso del gas de combustión, el ujo al cual entra el gas al cultivo es controlado nalmente mediante un rotámetro. El programa de control nos permite obtener además un registro de los niveles de pH y temperatura ajustando los intervalos de tiempo.

LÍNEA DE GAS COMBUSTIÓN EXTERNA PLANTA PILOTO TOCOPILLA

48


LÍNEA DE GAS COMBUSTIÓN INTERNA PLANTA PILOTO TOCOPILLA

UNIDAD DE OBTENCIÓN DE PRODUCTO La unidad de obtención de producto contempla una claricadora, marca ALFALAVAL – modelo CLARA 15, el

equipo trabaja a un caudal de cosecha de entre 0,5 a 0,6 m3/hr, realizando entre 6 a 7 descargas por día. Actualmente se están procesando 3,2 – 4,5 m3/día, obteniéndose entre 10 a 14 L/día de producto concentrado el cual corresponde a una producción que varía entre 0,7 – 1 kg/día.

>> Centrifuga continua

0,6 – 1 m3/hr

49

>> Estanque de agua de mar, claricado y residuos Planta P iloto Tocopilla.

DETALLES DE OPERACIÓN PRODUCTIVA DE BIOMASA MICROALGAL PLANTA PILOTO DE TOCOPILLA La planta piloto cuenta con un total de 37 m3 de cultivo, separado en sistemas de cultivo cerrado (21 m3); y sistemas de cultivo abierto 16,5 m3. Al cabo de 12 a 15 días de cultivo se inicia su proceso de cultivo semicontinuo, el cual consiste en remover un porcentaje del cultivo diariamente y se repone el mismo volumen con suplementación de nutrientes. Durante el año de cultivo

50

2013 el volumen que se repone durante los semicontinuo es agua de mar fresca con la suplementación del 100 % del medio de cultivo. Durante el año 2014 se incorporó al proceso de cultivo un sistema de tratamiento de claricado, esto nos permitió reutilizar el agua del cul tivo disminuyendo los costos asociados a los nutrientes durante el semicontinuo.


>> Tanque de ozonización.

>> Generador de ozonización.

CULTIVO SEMICONTINUO

PRODUCCIÓN

El cultivo semicontinuo se realiza cosechando entre 10 – 15% del volumen total de cultivo, posteriormente por bombeo es dirigido a un estanque general que reúne la cosecha total diaria, terminada la cosecha se inicia el proceso de obtención de producto, el cual es realizado mediante centrifugación (CLARA 15), el equipo concentra el producto obtenido una pulpa microalgal a una concentración entre 12 – 18% de sólidos, posteriormente esta agua es retornada al sistema previo tratamiento.

La operación contempla la cosecha diaria entre el 10 – 15 % del volumen de cultivo, cosechando entre 2,5 – 3,7 m3/día, el producto obtenido es una pulpa microalgal entre 2 -10 litros/día a una concentración variable dependiendo de la concentración del cultivo y el volumen centrifugado, 7 – 20 % de sólidos.

6000

70000 60000 50000 s o r 40000 t i l , 30000 n e m20000 u l o10000 V 0

5000 s 4000 o r t i l 3000 , a h c 2000 e s o 1000 C

0

0

15 10 Número de cosechas >> Cosechas realizadas en planta piloto (2013). 5

20

14

a í d12 / L , a10 p l u 8 P n 6 ó i c 4 c u d 2 o r P 0

25 2 5 121619 Febrero Marzo

1

8 15 30 6 11 13 15 25 Abril Mayo

1

8 1 0 1 2 16 1 8 2 2 24 26 2 13 2 0 22 Junio Julio

>> Resumen de producción constante de pulpa microalgal

Planta Piloto Tocopilla (2015).

58119

32640

30030

14530 7508

53928

13482

6528

Abril Mayo Junio Julio Cosecha Promedio, Litros/semana Cosecha mensual, Litros/semana >> Cosechas realizadas en planta piloto Tocopilla (2014). 25 a í d / L20 , a p l u15 P n10 ó i c c u 5 d o r P 0

25 2 5 121619 Febrero Marzo

1

8 15 30 6 11 13 15 25 Abril Mayo

1

8 1 0 1 2 16 1 8 2 2 24 26 2 13 2 0 22 Junio Julio

>> Resumen de concentración de sólidos en el producto,

Planta Piloto Tocopilla (2015).

51

52


Planta Piloto para Biocombustibles La planta piloto de biodiesel y biogás esta integrada a la planta piloto de microalgas en la central termoeléctrica de Tocopilla, permitiendo la producción de biodiesel, biogás y microalgas en un solo lugar.

1. DEFINICIÓN DE PROCESO PARA SINTESIS DE BIOCOMBUSTIBLE

atmosférica y a una temperatura de 55°C.

El proceso de síntesis de biocombustible a partir de

cirá tres fases: una fase sólida-alcohol (heavy) fase gaseosa y una fase líquida (light).

biomasa microalgal se dene según el diagrama de la

página 54. El proceso general comienza con reducir la humedad de la microalga. Este proceso será realizado por medio de secado de aire en bandejas. En las instalaciones de la Planta Termoeléctrica se disponen de dos fuentes de energía para proveer de calor latente necesario para remover la humedad de la biomasa, energía eléctrica y vapor. La selec-

El proceso de transestericación ácida directa produ-

La fase sólida-alcohol consiste en biomasa agotada, alcohol y otros serán separados de las otras dos fases utilizando un proceso de decantación por gravedad, en el claricador 1 (clarication). Sin

embargo, se encuentra en estudio la separación de estos sólidos mediante la utilización de ltros

consistentes con el tamaño de partículas, de esta

ción del portador de energía se denirá en función

manera se puede reducir de dos claricadores a

de los costos de los equipos y operación y del espacio disponible. Desde el punto de vista de la instalación, los equipos de calentamiento eléctrico son más compactos y económicos, sin embargo su operación es de mayor costo. Los equipos de calefacción por vapor saturado son de mayor volumen y de instalación más costosa y de operación más económica. De acuerdo la disponibilidad de espacio, reducido, y de energía eléctrica, proveedor inmediato, una buena alternativa sería la instalación de un calentador de aire eléctrico.

uno solamente. La fase gaseosa, compuesta por el solvente, biocombustible y alcohol, será extraído por succión y condensado mediante un destilador. El equipo de enfriamiento propuesto para la destilación será un Water-Chiller. Estos equipos poseen la ventaja de utilizar agua tratada en un circuito cerrado logrando el descenso de la temperatura mediante la incorporación compacta de un equipo de refrigeración por freón.

Una vez disminuida la humedad de la biomasa se realizará en un reactor hermético agitado el proce-

y enviada a la unidad de destilación en donde se separarán las fases de solvente y biocombustible mediante, calentamiento y condensado fraccionado para separar el biocombustible, solvente y alcohol remanente.

so de transestericación ácida directa. Este proceso

consiste en mezclar la biomasa, el catalizador, y el alcohol en conjunto con un solvente y producir la síntesis de ésteres e inmediatamente su dilución por el solvente, todo a una presión cercana a la

La fase líquida, se retira por rebalse del claricador

En el claricador N° 2 se separarán la fase sólida

y de desechos para tratamiento y/o proceso ulterior,

53

de la segunda fase líquida (light 2) por rebalse. Esta fase será transferida al destilador para producir la separación del biocombustible del solvente y el alcohol, por medio calentamiento y condensada

fraccionada. El biocombustible se depositará en el fondo del destilador y las fases de alcohol y solvente deben recuperadas juntas para su utilización posterior.

PROCESO DE SÍNTESIS DE BIOCOMBUSTIBLE A PARTIR DE BIOMASA MICROALGAL Biomass Alcohol recirc Alcohol Sulphuric acid

Solvent recirc

Solvent P-2 / V-101

Mix 1

Light 1

Vessel Procedure P-1 / CL-101

Light 2

Heavy 1

Biodiesel waste

Clarification P-3 / CL-102

P-0 / V-102

Clarification Batch Clarification Ex biomass

2. DEFINICIÓN DE PROCESO PARA SINTESIS DE BIOCOMBUSTIBLE El tamaño de la planta se ha denido como la

cantidad de biomasa microalgal que se procesará por cada ciclo de operación. La producción de biomasa microalgal en la actualidad asciende a alrededor de 130 kilogramos de biomasa, con 90% de humedad, cada diez días. De acuerdo a la investigación realizada en los laboratorios de la Universidad de La Frontera, la cantidades de catalizador y alcohol necesarios para la reacción corresponden a 3.9 y 122 litros respectivamente. El volumen que se debe manejar en el reactor es de alrededor de 140 litros. En consecuencia se dene un reactor con una capacidad de 200 litros. Los equipos correspondientes a los restantes subprocesos se denen para canti-

54

dades iguales y menores. La capacidad de procesamiento de biomasa microalgal con 10% de humedad por mes es 60 kilogramos, con un output de biocombustible de 6 kilogramos correspondiente al 10% de la biomasa seca. La planta experimental requiere de la distribución física de equipos para procesos primarios y secundarios en las dependencias de la Planta Termoeléctrica (Imágenes página 54). Deniendo aquellos primarios

como los equipos se separación y destilación y aquellos secundarios, los de enfriamiento, calentamiento, contenedores de alcohol y solvente, eléctrico y todo aquel de soporte, el tamaño de la planta es adecuado considerando el espacio disponible y considerando además que se ha planicado la instalación de cultivos de microalgas.


55

PLANO REACTOR ANAEROBIO 3

2

1

Sensor pH, T°, presión

10 12

Alimentación

Aislación

Bomba

9

4

Válvula Contrapeso

6 14

10

Gasómetro

13 11

15

5

7 8

E/fuente

56


CONSTRUCCION PRUEBAS DE SEGURIDAD Y TRASLADO DE PLANTA DE BIODIESEL Y BIOGAS HASTA E-CL TOCOPILLA

>> Estanque reacción transestericación.

En el mes de Octubre 2013 se han realizado reuniones de trabajo e inspección de soldaduras e integración de equipos relacionados con Planta Piloto Biodiesel y Biogás, que se trasladara a Empresa E-CL Planta Tocopilla en instalaciones de Empresa Emelsicsa, en la ciudad de Temuco. Se muestra en imágenes el estado de avance de las unidades, que componen dicha planta. En la imagen superior se aprecia la ubicación de distintos componentes que conforman la planta piloto. Esta disposición, será conectada mediante tuberías, para el movimiento de uidos, además de un estanque, donde se desarrollara el proceso de Transestericación.

El diseño, espesor y calidad del acero inoxidable han sido controlados para permitir procesos con mezclas que contienen ácido sulfúrico, metanol biomasa de microalgas y presión de trabajo de 4 a 6 bar. El equipo que se utilizara para destilación, contiene en el interior condensador tubular. Se ha vericado

que el haz de tubos interior sea de acero inoxidable

>> Estanque generación Biogás.

La planta piloto de biogás comprende un estanque, como lo muestra la imagen superior, que recibirá desechos microalgas agotada, para la generación de biogás, el cual se acumulara en estanque de bra

ubicado en el exterior de la planta piloto. El estanque de bra para acumular biogás, se en-

cuentra construido y ubicado en otro recinto, que por razones de espacio, no se ha integrado aún en esta planta. La etapa actual de trabajo consiste en realizar pruebas reglamentarias de presión, a todos los depósitos, serán supervisadas por Robinso Betancourt para posteriormente proceder a la conexión de redes de tuberías e instalación de accesorios y sistemas de control de la planta piloto. Todas las unidades mostradas en el informe se encuentran construidas a la vista y ubicadas en instalaciones de Empresa Emelsicsa (Temuco) y trasladadas a Tocopilla.

57

Con fecha 16 de Noviembre 2013 a las 18:00hrs. se realiza Inspección Técnica a la Obra de Instalación de Planta Biodiésel y Biogás en Instalaciones de Empresa Emelsicsa. >> Se verica trabajo de preparación

Interna de Container para proceder a ingresar ambas plantas al interior container. Vista exterior Implementación Puerta Lateral de acceso.

>> Pintado interior

container, color blanco recomendado por normas para este tipo de instalaciones donde se realiza Investigación.

58

>> Vista exterior container

preparación puerta de acceso, en el fondo se aprecia unidad Planta de Biodiésel que será integrada en el interior.

>> Pintado interior, primera mano. Se

aprecian las rejillas de ventilación INFERIOR,exigidas Por SEC, que se encuentran en implementación por parte de Emelsicsa y Pintado interior del Cielo. Al fondo unidades que se integraran al interior del container.


UNIDAD DE CONTROL ELÉCTRICO PLANTA Emelsicsa desarrolló sistema de control eléctrico para la Planta de Biodiésel y Biogás. Se procederá a la instalación en tanto el trabajo de pintado interior permi ta el ingreso de personas, una vez eliminados gases y olor de pintura. El día Martes 19 de Noviembre de 2013 a las 10:00hrs. Don Luis Paiva realizará el Primer trabajo

de inducción a Ingenieros del Subgrupo 6 y Subgrupo 9 para Operación y Control de Funcionamiento, en la Planta. Estas actividades son fundamentales por tratarse de Planta que utiliza gases inflamables, tomando el concepto de Conducta Responsable para los Investigadores que manipulen y accionen la Planta.

>> Unidad Sistema de Control

Eléctrico Planta y Estanque Acumulador de Gas, se instalará en exterior de Container . Es el informe como ITO, hasta el momento, vericando se cumplen todas las

condiciones de seguridad y calidad del trabajo.

59

INFORME DE DESPACHO Planta de Biodiesel y Biogás desde Temuco a Tocopilla En Noviembre de 2013 se realizó la última inspección A las 10:30hrs. se comenzó con el movimiento de a la planta de Biodiesel y Biogás observando que la planta hacia el exterior del galpón para realizar el todo este correctamente señalado para la conexión montaje sobre el camión como se muestra en las en la planta E-CL como se observa en las imágenes. imágenes.

>> El montaje del container

sobre el camión se realizó a las 10:30hrs.

El container fue despachado a las 12:00hrs. del día 22 de noviembre de 2013 , a E-CL, en donde la pluma de carga maniobra con la Planta Piloto.

60


Instalación interna de la Planta Piloto La secuencia de imágenes indica la instalación de todos los componentes de Planta Piloto de Biodiésel y Biogás, enviada hasta Tocopilla, Planta E-CL

1

2

3

4

1. Planta Biodiésel 2. Planta Biodiésel 3. Instalación destilador 4. Detalles conexión piping 5. Reactor transestericación

6. Tablero control eléctrico

5

6

61

CONCLUSIONES • La Planta piloto se he enviado en el tiempo con-

venido. • Los equipos y accesorios están ubicados en los puntos denitivos. • La planta se pintó de color blanco en forma inter -

na, a petición de la Gerencia. • Las pruebas de presión de seguridad se acreditaron con pruebas reglamentarias certicadas por el ITO Robinson Betancourt. Especicaciones técnicas y

espesores de materiales estandarizados fueron acreditados en las inspecciones reglamentarias. Acredito que La Planta Piloto se ha enviado hasta Planta Tocopilla, desde las instalaciones de empresa Emelsic, como se respalda con las imágenes precedentes.

FLUJO DE LA PLANTA PILOTO DE BIODIESEL Agua fría

Evaporación de solventes

Añador hexano Reacción de transestericación

r o p a V

C-200 Condensador

Biomasa Post Transestericación

o e t n e V

Solvente

P-126

Venteo

o d a s n e d n o C

Hexano Nitrógeno Mezcla metilada Microalga

Nitrógeno

Matanol Ac. Sulfúrico

D-100 R-100 r o p a V

a u g a / o d a s n e d n o C

R-100 r o p a V

>> Diagrama de ujo de la planta piloto de

biodiesel, donde se consideran todas las entradas y salidas del proceso, recuperación de solventes, uso de gases de venteo, etc. Actualmente, se ha contratado a un ingeniero con conocimientos de prevención de riesgos como operador de la planta.

62

T-100


Tanque Lavado

Tanque Decantación

o d a s n e d n o C

T-200

Biodiesel C-100 Destilador


La planta piloto de biodiesel fue construía en acero, considerando los estándares de seguridad de la Termoeléctrica E-CL Tocopilla, la cual considera bodegas de almacenamiento de químicos (metanol y hexano), caseta para gases, bandejas antiderrames, protocolo de emergencias, ducha de seguridad, tablero eléctrico aislado y elementos personales de seguridad, entre otras medidas e instalaciones.

Actualmente se han realizado dos Batch de prueba, donde se ha utilizado biomasa con un 90% de humedad, la cual fue obtenida directamente de la planta de producción de microalgas, situada a metros del reactor. La biomasa es concentrada utilizando una centrífuga continua, donde se obtiene la pulpa con la cual es alimentado el reactor. La alimentación de hace en forma remota, de modo de evitar la exposición del operario a químicos volátiles como el metanol y el hexano.

como: tiempo de reacción, dosis de reactivos, temperatura de operación, control del vapor (que se utiliza para controlar la temperatura de reacción), operación del condensador (recuperación de solventes).

De estos batch se han actualizado los protocolo de operación y de seguridad en caso de accidente, por otro lado se han ajustado las variables de operación tales

donde se observó que las mezclas no resultaron en un efecto positivo, donde los mejores resultados se encontraron con metanol y ácido sulfúrico.

Los resultados indican que con una biomasa con 7,2 % de ácidos grasos, el 50% es transformada en biodiesel. Paralelamente, se estudió el efecto de utilizar mezclas de solvente en la reacción de transestericación directa,

63

PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS: PLANTA PILOTO Y BIORREFINERÍA COSECHA DE MICROALGAS ] 16 m n 0 14 5 7 [ e 12 t n a d10 a n e r 8 b o s a 6 c i t p ó 4 d a d i 2 s n e 0 D

10

10

20

30 40 50 60 70 80 Dosis de coagulante [FeCl 3 ]

90

na con tecnologías de cosecha de la biomasa. Para el caso de microalgas como B. braunii, la cosecha puede ser realizada por sedimentación natural producida por sustancias poliméricas extracelulares que ayudan al proceso. En este caso la biomasa microalgal puede ser concentrada hasta 20 veces. En el caso de microalgas con baja velocidad de sedimentación, tal como N. gaditana, los resultados obtenidos por los investigadores de A

>> A. Determinación de condiciones de oculación

usando FeCl3.

0

3,0 2,5

8

o v i t l u c6 e d o i d4 e m H p2

La primera etapa del proceso de biorrenería se relacio-

64

pH inicial pH post adición de FeCl3 Densidad óptica

1,5 1,5 1,0 0,5 1

2

3

4

5

6

0.0

] m n 0 5 7 [ e t n a d a n e r b o s a c i t p ó d a d i s n e D

Corrida Experimental [N°]

DBSA, mostraron que utilizando FeCl3 como coagulante es posible concentrar la biomasa. La imagen A muestra que utilizando una dosis de 48,5 (mg FeCL3/g biomasa seca), fue factible obtener una densidad óptica en el sobrenadante de 2,4 a 750 nm. En relación al efecto del pH, imagen B, se muestra que sobre un pH inicial de 6,95 se pueden alcanzar óptimos resultados. Este sistema fue implementado en la planta piloto de Tocopilla de DBSA y se encuentra operativo en la actualidad.

B

>> B. Sedimentador para cosecha y biomasa cosechada.

Planta Piloto Tocopilla


PRODUCCIÓN DE PROTEINAS La segunda etapa del proceso de biorrenería investi-

gada se relacionó con el desarrollo de un proceso para la extracción de proteínas de la biomasa previamente cosechada evitando la pérdida de ácidos grasos y carbohidratos. Lo anterior, con la nalidad de favorecer las

etapas posteriores de producción de biodiesel y biogás. Esta extracción de proteínas fue investigada utilizando un proceso químico como se indica en el diagrama. El proceso consiste en la solubilización de la proteína a pH alcalino y temperatura con agitación constante. Luego de la solubilización, son separadas dos fases por gravedad o centrifugación. La fase superior contiene proteína

soluble mientras que la biomasa sedimentada es una biomasa remanente que puede ser usada para producir biodiesel y biogás. La precipitación de las proteínas solubles puede ser realizada al punto isoeléctrico de las proteínas, es decir, al pH al que las proteínas no tienen carga neta. Entonces, se producen dos fases: un aislado proteico (fase inferior) y una fase líquida remanente (fase superior). La fase líquida remanente puede ser reutilizada para alimentar el medio de cultivo de microalgas luego de su neutralización o, si se utiliza agua dulce durante el downstream, puede ser usada para alimentar la digestión anaeróbica para la producción de biogás.

Agitación Neutralización Control de pH Y T°

Proteína Soluble

Fase Líquida

Biomasa Cosechada

Reactor Biomasa remanente para la producción de Biodiesel

Aislado proteico

65

PRODUCCIÓN DE BIODIESEL La tercera etapa del proceso de biorrenería está rela-

luego de la cosecha. El proceso funciona con biomasa húmeda, con un contenido de agua que va entre 20 a 80%. La biomasa húmeda reacciona con un alcohol y un catalizador, sin ningún proceso de secado previo o proceso de extracción de lípidos para producir biodiesel. Este proceso es llamado Transestericación Directa Húmeda (TDH). El digrama inferior muestra un esquema del proceso usando biomasa desproteinizada.

cionada con la investigación de una nueva tecnología para producir biodiesel a partir de biomasa remanente producida luego de la extracción de proteínas. La extracción de proteínas previa bajo las condiciones establecidas, permite concentrar los ácidos grasos en la materia prima para incrementar la producción de biodiesel. Asimismo, la biomasa puede ser usada directamente

ESQUEMA DEL PROCESO DE TRANSESTERIFICACIÓN DIRECTA (TDH) PARA PRODUCIR BIODIESEL EN EL MARCO DE LA BIORREFINERÍA DE MICROALGAS Metanol recuperado Hexano recuperado Metanol

Hexano Sedimentador

Biomasa remanente post extracción de proteínas

Transesterilización directa húmeda

Fase no polar Fase hidrofílica Biomasa

H2SO4 Biomasa remanente para la producción de BioGas

BioDiesel

Destilación

Residuo líquido rico en carbohidratos Biomasa, Biomasa remanente y productos Corriente líquida

66


Dentro de la investigación realizada, se comparó los rendimientos y pureza del biodiesel producido utilizando la biomasa microalga húmeda directamente y utilizando biomasa desproteinizada. Los resultados permitieron validar el concepto de biorrenería permite mejorar los

rendimientos debido a que la biomasa utilizada ya se encuentra con una acumulación de ácidos grasos y menor contenido de proteínas (Tabla 6).

] 80 % [ l e s e 60 i d o i b e d40 o t n e i m i d20 n e R

0

sante para una rápida digestión anaeróbica. La producción de biogás utilizando B. braunii remanente post transestericación directa fue analizada, obteniéndose cerca de 250 ml CH4/g SV, lo cual correspondió a un 43% del potencial teórico. El potencial metanogénico de biomasa remanente de N. gaditana post extracción de proteínas y luego de las etapas sucesivas de extracción de proteínas y transestericación también fue evaluado, obteniéndose potenciales de 200 ml CH4/g SV y 300 ml CH4/g SV, respectivamente.

A ] % [ 100 a s a 80 m o i b 60 e d l a 40 u d i s e r 20

Materia prima

>> TABLA 6 | Comparación de rendimiento y pureza del

biodiesel producido utilizando la biomasa microalga húmeda

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS La cuarta etapa se relaciona con el estudio de tecnologías para la producción de biogás a partir de biomasa remanente y líquidos residuales producidos durante las diferentes etapas de la biorrenería descritas previa mente. Para el caso del uso de biomasa post transestericación

directa, se estudiaron alternativas para acondicionar la biomasa. Esto se contextualiza en que durante la transestericación se utiliza ácido sulfúrico como catalizador, lo cual genera altas concentraciones de sulfato residual en la biomasa remanente. Como el sulfato es un inhibidor de la digestión a anaeróbica se realizaron sucesivos lavados de la biomasa remanente, estableciéndose que luego de dos o 3 lavados, ésta es factible de ser utilizada como sustrato en la digestión anaeróbica. Se evaluó adicionalmente el uso del residuo líquido generado post transestericación en el cual se determinó un alto contenido de carbohidratos de entre 13 a 16 mg/L, lo cual signica que es una materia prima intere-

o t a f l u S

0

Sulfato remanente en biomasa Límite de inhibición en digestión anaeróbica Concentración de sulfato

100 80 60 40 20

control

4 2 3 Tratamiento [etapa]

1

0

] L / g [ r 5 o t c a e r l e 4 n ] e 2 o 4 t a f O l S u s g [ e d a s n a ó i c m a r o t t n a e f 1 l c n u o S C

3 2

>> TABLA 7 | Comparación de los

rendimientos de producción de biodiesel usando (A) biomasa microalgal completa y (B) biomasa remanente luego de la extracción de proteínas, producida bajo condiciones de TDH.

B

] 350 V S300 g / 4 H250 C L m [ o c i n é g o n a t e m l a i c n e t o P

200 150 100 50 0 0

10 20 Tiempo [d]

30

40

>> TABLA 8 | A. Contenido de sulfato en biomasa residual y eciencia de remoción

luego de sucesivos lavados. B. Potencial metanogénico de biomasa remanente de B. braunii.

67

>> Planta piloto de biodiesel,

Tocopilla. Al lado, planta piloto de biodiesel y biogás de DBSA.

68


PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS La Planta piloto para la Producción de Biodiesel y Biogás de DBSA, se encuentra emplazada en Tocopilla y fue inaugurada en Diciembre de 2013. El proceso de producción de Biodiesel y Biogás de la planta piloto de Tocopilla consiste en la reacción entre metanol, ácido sulfúrico y la pasta de microalga (80% de humedad) y luego de dejar reaccionar durante un tiempo denido a una temperatura dada. A continuación

se realiza una extracción con hexano, dónde se separan las diferentes fases (hexánica, metanólica y biomasa residual). Posteriormente se realiza una destilación al vacío de la fase hexánica para separar el biodiesel producido. La biomasa residual obtenida del proceso de biodiesel, previa dilución, es degradada mediante digestión anaeróbica. La planta es dividida en tres zonas: a. Zona de Almacenamiento de Reactivos y Materias Primas b. Zona de Producción de Biodiesel c. Zona de Producción de Biogás

PLANTA DE BIOGÁS Dada la alta generación de residuos que se producen durante la operación de la planta para la producción de biodiesel a partir de microalgas y de acuerdo a los resultados obtenidos en los objetivos previos, se planteó la alternativa de implementar una planta de producción de biogás para tratar los residuos y generar energía. La actividad buscó diseñar una planta piloto para ser implementada en Tocopilla junto a la planta de transestericación directa para la producción de biodiesel. En el diagrama de la página 70, se muestra el ujo de la

planta piloto de biogás. Ésta consiste en un reactor de 1 m3 de volumen total (R-200) y un gasómetro de bra de

vidrio de 1,5 m3 aprox. de volumen útil con volumen total del tanque invertido de 2 m3 (G-100). Además, cons-

69

ta de 1 estanque de 250 L para la preparación de la alimentación que incluye sistema de agitación (T-300). La planta opera con un termo calefactor de 80L (C-201) que utiliza agua desmineralizada (T-400) para mantener la

temperatura del digestor. Se implementó adicionalmente sensores (controladores) de temperatura y pH. Además, la planta consta con un absorbedor de H2S, un quemador de gas y un para-llama a la salida del gasómetro.

DIAGRAMA DE FLUJO DE PLANTA DE BIOGÁS Agua desmineralizada

Acumulador de biogás, Gasómetro

Alimentación: - Biomasa - Agua

Calefactor 35°C

Vacuómetro

T-400

Parallamas Puricador Sensor (PT-100)

P-40 Quemador biogás Parallamas

T-300

Q-100

pH metro

C-201

T G-100 Toma Muestra

B-600 B-500

Control de Temperatura Visual

R-200 ReactorAnaeróbico

DIAGRAMA DE FLUJO DE PLANTA DE BIODIESEL Agua fría

Evaporación de solventes

Añador hexano Reacción de transestericación

r o p a V

C-200 Condensador

Biomasa Post Transestericación

o e t n e V

Solvente

P-126

Venteo

o d a s n e d n o C

Hexano Nitrógeno Mezcla metilada Microalga

Nitrógeno

Matanol Ac. Sulfúrico

D-100 R-100 r o p a V

70


T-100

R-100 r o p a V


Tanque Lavado

Tanque Decantación

o d a s n e d n o C

T-200

Biodiesel C-100 Destilador


LOS INICIOS DE LA INVESTIGACIÓN

>> Composición de biogás durante la puesta en marcha.

El interés en el uso de algas, y particularmente de microalgas como materia prima para la producción de biocombustibles, es en mayor medida el resultado de la capacidad de algunas microalgas para acumular lípidos disponibles para la producción de biodiesel. Para la producción de biodiesel a partir de microalgas, el proceso convencional se basa en el secado de la biomasa y posteriormente, la extracción de los lípidos totales. El procedimiento de extracción de lípidos es usualmente llevado a cabo usando solventes no-polares, tales como hexano y/o éter de petróleo, entre otros. Posteriormente, los lípidos extraídos son usados para la producción de biodiesel a través de una reacción de transestericación ácida. Como solamente aproximadamente el 10% de la biomasa microalgal son lípidos transestericables, la

mayor parte de la biomasa es perdida como un residuo en este proceso.

>> Planta piloto de biogas, Tocopilla.

Lo inicios de la investigación de DBSA apuntaron a la investigación del proceso convencional de producción de biodiesel, en donde luego de la cosecha de la biomasa por centrifugación, la microalga era sometida a un pro-

71

ceso de secado para la posterior extracción de lípidos. Luego de la transestericación de los lípidos extraídos

para la producción de biodiesel, el esquema inicial de la investigación realizada por DBSA incluía el uso de la biomasa agotada para la producción de un producto de valor agregado rico en proteínas. La biomasa remanente nal se utilizaba para la producción de biogás a través

de digestión anaeróbica. A través de la investigación desarrollada fue posible establecer la necesidad de modicar el esquema inicial del

proceso. Esto debido al alto gasto de energía necesaria para el secado de la biomasa. Adicionalmente, debido al uso de solventes y condiciones de operación intensivas durante el proceso de transestericación, la biomasa utilizada para la producción de proteínas presentó caracte-

rísticas recalcitrantes, lo cual dicultaba la extracción de un producto de alto valor. En función de lo anterior, los investigadores de DBSA propusieron un nuevo concepto o esquema de producción, el cual no consideró el secado de la biomasa y situó en el primer lugar del proceso productivo la extracción de proteínas para la generación de un producto de alto valor. Adicionalmente, la reacción de transestericación fue reemplazada por la tran sestericación directa húmeda, la cual permite el uso de

biomasa con contenidos de humedad de hasta un 80%. Todo lo anterior, permitió desarrollar la investigación de downstream de DBSA en el marco del concepto de Biorrenería de microalgas, es decir, maximizando la generación de productos y minimizando la generación de residuos a través de un aprovechamiento integral de la biomasa microalgal.

B

A COSECHA

SECADO BIOMASA

COSECHA

EXTRACCIÓN DE PROTEÍNAS

EXTRACCIÓN DE LÍPIDOS TRANSESTERIFICACIÓN DIRECTA TRANSESTERIFICACIÓN BIOMASA RESIDUAL (70%) SOLVENTES EXTRACCIÓN DE PROTEÍNAS

DIGESTIÓN ANAERÓBICA

DIGESTIÓN ANAERÓBICA

UPGRADING BIOGAS

>> “A” Esquema inicial de proceso productivo

investigado por DBSA y “B” nuevo esquema de proceso productivo propuesto por dbsa.

BIORREFINERIA DE MICROALGAS El proceso de biorrenería de microalgas desarrollado,

involucró diferentes etapas interconectadas entre sí, desde la cosecha de la biomasa microalgal, pasando por distintos procesos productivos e incluyendo alternativas al uso de biomasa remanente. El proceso permite el aprovechamiento integral de la biomasa adaptando

72

cada etapa de producción para la obtención de varios productos de interés comercial: proteínas, biodiesel, y biogás o biometano. Además, el proceso incluye alternativas de reutilización de aguas residuales para ser reusadas en el mismo proceso. El orden de las etapas permite la utilización óptima de


los componentes de la materia prima: proteínas, carbohidratos, lípidos y otros. Por lo tanto, la invención permite disminuir la producción de residuos y las pérdidas de biomasa. El proceso downstream incluye la adaptación de cada etapa del proceso para mejorar la etapa siguiente del proceso de producción. Las etapas son las siguientes:

2. Producción de proteínas y/o aminoácidos por solubilización de proteínas a través de un método químico

1. Cosecha para producir materia prima adecuada para ser usada en las siguientes etapas

5. Y, alternativamente, producción de metano luego del

PRODUCCIÓN DE MICROALGAS + REFINACIÓN BIOGAS

3. Producción de biodiesel usando ácidos grasos a partir de biomasa 4. Producción de biogás a partir de líquido y biomasa remanentes renamiento del biogás.

SOLUBILIZACIÓN QUÍMICA DE PROTEÍNAS

COSECHA

PROTEÍNAS

Sedimentador y pasta de microalga producida

Proceso de extracción de proteínas y solubilizado proteico

Raceway y bolsas de planta producción microalgas Tocopilla

BIORREFINERÍA BIODIESEL

Digestor anaeróbico y gasómetro planta Tocopilla

TRANSESTERIFICACIÓN DIRECTA HÚMEDA

DIGESTIÓN ANAERÓBICA Planta de transestericación directa y

biodiesel producido

BIOGAS

>> Biorrenería de microalgas.

73

74


DESARROLLO DE CAPACIDADES HUMANAS En la formación del capital humano avanzado participaron estudiantes de Universidad de Antofagasta y estudiantes de la Universidad de La Frontera, durante los 5 años de duración del Consorcio, donde se comprometieron 5 becas de posgrados, 9 becas de doctorados, 18 tesis de magister y 27 tesis de pregrado. Con estos programas se ha posibilitado formar profesionales para realizar investigaciones en microalgas, incluyendo análisis y procesamiento.

75

BECAS DE POSTGRADO NOMBRE

BECAS DE POSTGRADO TÍTULO DE BECA

PROYECTO

TIPO DE BECA

Ivonne Mancilla

Responsable de evaluación de análisis de microalgas con potencial extracción de lípidos especícos para la producción de biodiesel.

1

Postdoctorado

Yanet Leyton Lobos

Postdoctorado en desarrollo, evaluación de actividades enzimáticas en microalgas.

2

Postdoctorado

5

1/2Postdoctorado

6

1/2Postdoctorado

7

1/2Postdoctorado

8

1/2Postdoctorado

Claudia Lorena Rabert Pinilla Estudió y caracterizará el sistema enzimático de Botryococcus braunii involucrado en el proceso de lisis, incluyendo la implementación de técnicas de análisis, evaluación de la producción de enzimas en las distintas etapas de crecimiento, evaluación de enzimas hidrolíticas comerciales en la lisis de la microalga y la liberación de lípidos.

Claudio Andrés Toro Aedo reemplazado a partir de abril 2012 por

½ Postdoctorado Subprograma 6 para asistencia en funciones de investigación en la optimización del proceso

Simonet Evelyn Torres Galvez de extracción y puricación de aceites de microalgas para producción de biodiesel.

Patricia Alejandra Navarrete Gómez a partir de marzo del 2012 reemplazada por Magdalena

Edith Cuevas Troncoso Laura Haydee Azocar Ulloa

Profesional cientíco-tecnológico responsable del desarrollo de pruebas funcionales de extractos de proteína o fragmentos de aminoácidos obtenidos de microalgas con posibles propiedades farmacoterapéuticas.

Profesional cientíco-tecnológico asistencia en funciones de investigación y acondicionamiento de biomasa microalgal residual para producción de biogás.

76



BECAS DE DOCTORADO TÍTULO DE BECA

PROYECTO

TIPO DE BECA

Sonia Vanessa Millao Millapi

Extracción de aceite y carotenoides de microalga Nannochloropsis gaditana usando dióxido de carbono supercrítico: estudio del pre-tratamiento del substrato, optimización del proceso de extracción y capacidad antioxidante del aceite.

5

Doctorado

Ricardo Antonio Hartley Belmar reemplazado

7

Doctorado

Fabiola Alejandra Zambrano Quezada

Responsable de evaluación de productos con propiedad antioxidante. Tesis doctoral: Aplicación de fragmentos polipeptídicos con propiedad farmacológica extraídos de microalgas.

Christián Arnoldo Vergara Ojeda

Responsable de ingeniería de biorreactores y cultivos de microalgas y postcosecha.

8

Doctorado

Tomas Guillermo Mora Chandia

Tesis Doctoral en el extranjero (Universidad de Sao Paulo, Brasil): TITULO:

9

Doctorado

a partir de Octubre 2012 por

Producción de Bio‐Oil mediante pirolisis rápida de biomasa microalgal y obtención de subproductos utilizando procesos de mejoramiento y reformado.

BECAS DE POSTGRADO

BECAS DE MAGÍSTER

Pedro Vargas

Aislamiento de bacterias desde sistemas acuáticos, con potencial para solubilizar y/o mineralizar fosfato, para el desarrollo de aplicaciones biotecnológicas.

1

Magíster

Pedro Vargas

Desde marzo a diciembre 2013. Tema tesis: implementación de fotobioreactores tubulares a escala piloto para la producción de biodiesel.

4

Magíster

Jaime Antonio Bravo Troncoso

Nannochloropsis gaditana como fuente carbohidratos para el cultivo de Saccharomyces cerevisiae; evaluación de la producción de biomasa y etanol.

5

Magíster

Robinson Eduardo Muñoz Gonzalez

Utilización de biomasa microalgal agotada para la producción de combustibles líquidos (Bio-oil), por medio de un proceso de pirolisis.

6

Magíster

Ana María Villegas

“Péptidos inhibidores de la enzima ACE, a partir de biomasa microalgal de Nannochloropsis gamitada”.

7

Magíster

Daniela Pino

“Evaluación de las condiciones de producción en emulsiones simples y dobles como transportadores de nutrientes y compuestos bioactivos”.

7

Magíster

77

BECAS DE POSTGRADO NOMBRE Camila Medina

BECAS DE MAGÍSTER TÍTULO DE BECA

Fracciones proteicas de alto valor proteico con propiedades tecno funcionales a partir de biomasa microalgal Nannochloropsis gaditana.

Leslie Marjorie Meier Figueroa Remoción fotosintética de dióxido de

PROYECTO

TIPO DE BECA

7

Magíster

8

Magíster

carbono mediante microalgas: una atractiva alternativa para aumentar el

poder caloríco del biogás”. Tesis para optar al título de Magíster en Ciencias de la Ingeniería mención Biotecnología.

Patricio Alejandro Neumann Langdon

Aporte energético de la digestión anaerobia de la torta post-extracción de lípidos al proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas”.

8

Magíster

Álvaro Fernando Gonzalez Flores

Combustión y análisis de propiedades, de Biohidrocarburos, biodiesel y otros combustibles derivados microalgas”.

9

Magíster

4

Pregrado

BECAS DE PREGRADO Víctor Pizarro

Efecto de diferentes oculantes en la eciencia de la decantación de la microalga Nannochloropsis gaditana.

Héctor Berríos

Evaluar y optimizar un protocolo de transformación genética, el cual nos permita manipular genéticamente a la microalga B. braunii ya sea en forma estable o transiente.

2

Pregrado

Hernán Vera

Identicar genes que se expresen y se

2

Pregrado

encuentren involucrados en el metabolismo general y de ácidos grasos del organismo Botryococcus braunii.

Ivette Antilef

Estudio de ruptura celular de microalgal (Botryococcus braunii) usando CO 2 supercrítico.

5

Pregrado

Barbará Sánchez

Co-extracción de carotenoides de microalga (nannochloropsis gaditana) y lípidos de canola (brassica napus) usando dióxido de carbono supercrítico.

5

Pregrado

Juan Piña

Evaluación de costos de producción de biodiesel a partir de microalgas; modelación y simulación del proceso.

5

Pregrado

78



BECAS DE PREGRADO TÍTULO DE BECA

PROYECTO

TIPO DE BECA

Álvaro Suazo

Estudio de la composición de aceite de tres cepas de microalgas como fuente de lípidos para la producción de Biodiesel.

6

Pregrado

Betty Cancino

Obtención aislado proteico a partir de torta de microalga Botryococcus braunii.

7

Pregrado

Carolain Franco

Desarrollo de investigación sobre compuestos bioactivos (carotenoides y polifenoles) con actividad antioxidante, azúcares totales y proteína soluble presentes en microalga Botryococcus braunii.

7

Pregrado

Maribel Catrilao

Evaluar la extracción sólido líquido de compuestos polifenólicos a partir de torta de microalga B. braunii.

7

Pregrado

Camila Medina

Obtención de un hidrolizado proteico con potencial bioactivo a partir de aislado de microalga Nannochloropsis gaditana.

7

Pregrado

Javiera Soledad Parada Cárcamo

Efectos de las condiciones de temperatura de extrusión sobre la proteína de Nannochloropsis gaditana”.

7

Pregrado

Hernán Díaz Araneda

Uso de oculantes para el incremento de ux crítico en un biorreactor de

8

Pregrado

8

Pregrado

8

Pregrado

membrana anaeróbico.

Francisco Javier Cabrera Barriga Iván Alejandro Faúndez García

Producción de biogás y extracción de proteína soluble a partir de biomasa de microalga Botryococcus braunii,

siguiendo un concepto de biorrenería.

79

80


OPORTUNIDADES DE NEGOCIO Y PROYECCIONES FUTURAS Los contenidos de ácidos grasos Omega 3, en particular el EPA de nuestra microalga, la transforman en un importante complemento en la alimentación de salmones y camarones.

ACUÍCOLA La salmonicultura en una de las actividades industriales más importantes de Chile, siendo además uno de los productores más grandes del mundo, con aproximadamente un 40% de la producción mundial para el año 2014, ubicado por detrás de Noruega, con niveles productivos de más de un millón de toneladas, de un universo estimado de 2,5 millones. El mercado de la alimentación para los cultivos de salmones se encuentra altamente concentrado en Chile y se producen aproximadamente 1 millón de toneladas de alimentos para peces. La acuicultura en Perú y en Ecuador, en cambio, se concentra en los cultivos de camarones, conchas de abanicos y tilapias. La acuicultura peruana en el año 2010 alcanzó poco más de 89 mil toneladas. Se encuentra dividida en diferentes especies dentro de las cuales el camarón (langostino) junto con la concha de abanico son las especies que más se cultivan. La producción de langostinos el 2008 llegó alcanzar cerca de 13.500 toneladas. En Ecuador la producción de la acuicultura es mayor, de aproximadamente de 280.000 toneladas anuales (FAO, 2010), siendo la industria camaronera una de las actividades más importantes del sector productivo seguido por el cultivo de Tilapia. Existe un potencial crecimiento tanto en la acuicultura general como a nivel mundial así como en los alimentos que se elaboran y producen para ésta. La producción acuícola mundial alcanzó en el 2010, 60 millones de toneladas. La acuicultura a nivel mundial va en aumento y las necesidades de las distintas especies cultivadas de adquirir una adecuada alimentación también. Chile,

Perú y Ecuador se encuentran dentro de los principales países productores en la acuicultura de américa latina. En la industria acuícola la alimentación de las especies es el principal y más importa insumo de este tipo de mercado, lo que la transforma en un factor relevante en la industria. En relación a las necesidades que tiene este mercado de la alimentación para la acuicultura de adquirir materias primas ricas en ácidos grasos polinsaturados, calidad proteica y calidad en los perles nutricionales, se pretende solucionar la necesidad, a través de un prototipo que resulte ser una solución diferenciadora a los problemas o necesidades del mercado de alimentación para la salmonicultura en Chile y los cultivos de camarones en Perú y Ecuador. Existen diferentes factores que inuyen en el crecimien-

to adecuado de camarones y salmones. Sin embargo dentro de los más inuyentes están los relacionados

con la alimentación y la nutrición en las larvas, ya que la calidad de la dieta en esta etapa es la que más inuye

en la supervivencia y crecimiento de las larvas. Debido a las alzas en los precios y menor oferta del aceite y harina de pescado, el mercado está en continua búsqueda de fuentes que puedan reemplazar los requerimientos alimenticios de sus cultivos. Además, están poniendo especial atención en adquirir fuentes ricas en Omega 3 (EPA y DHA) y calidad proteica, de manera de obtener una fuente sustentable de EPA (Ácido eicosapentaenoico ) y DHA (Ácido docosahexaenoico). El suministro de harina y aceite de pescado difícilmente es capaz de satisfacer la demanda actual de la industria del salmón. Se necesitan ingredientes alimenticios de buena calidad para alimentos de animales y de pescado

81

© Owen Allen

para que exista suciente proteína para una población

en crecimiento. El crecimiento de la industria salmonicultora está generando una mayor demanda de harina y aceite de pescado obtenido de forma sustentable para ser usado como ingrediente alimenticio. Adicionalmente, existe una mayor comprensión sobre el benecio de

las cadenas largas de Omega 3 del aceite de pescado para la salud humana, la cual es cada día más recomendada por expertos de la salud, generando una creciente necesidad de suministrar aceite de pescado para consumo humano .El resultado es que el contenido de EPA y DHA proveniente de aceite de pescado en el salmón de cultivo está disminuyendo cada vez más y el contenido de Omega 6 está aumentando, debido a que se sustituye por aceites vegetales. Esta tendencia parece continuar en los próximos años y es muy probable que el mercado del salmón haga una diferencia entre los salmones que posean altos niveles de EPA y DHA y los que no. Desert Bioenergy ve la oportunidad de destinar su cultivo de microalgas para la realización de un producto aditivo que logre añadir una calidad nutricional superior a la dieta actual de salmones y camarones, como por ejemplo con un alto contenido de ácidos grasos polinsaturados. Sin embargo, la investigación dará como respuesta si el producto a obtener será un aditivo o suplemento capaz de suplir los requerimientos nutricionales de estas especies, en donde el producto nal sea una mezcla de biomasa de

microalgas que cumpla no solo con añadir un aditivo rico en Omega 3, sino que logre cumplir con los requisitos de alimentación en general, es decir que satisfaga tanto la calidad proteica como, incorpore antioxidantes, omega 3, vitaminas, minerales y otras propiedades adicionales de la microalga como su contenido de glucanos que ayuda a la supervivencia e inmunidad, y otros atributos caracte-

82

rísticos de cada cepa microalgal. Desert Bioenergy propone el desarrollo de un alimento seco de biomasa de microalgas producidos por Desert Bioenergy S.A y la determinación de sus propiedades para el mercado de alimentación del salmón y el camarón que permita la formulación de aditivos ricos en ácidos grasos Omega 3 y otras propiedades, como el enriquecimiento de los alimentos o como suplemento de éstos. Durante el año 2014 las actividades realizadas por Desert Bioenergy hasta ahora han estado relacionadas con la denición del producto, con su caracterización, y

determinación de su formato ideal. Esto permitió realizar las pruebas pilotos con los salmones y las pruebas preliminares con larvas de camarones. La denición del producto implicó la búsqueda de cepas

microalgales y el proceso que implica realizar el cultivo de las microalgas. Si bien se siguen estudiando distintas cepas de microalgas, las pruebas realizadas se hicieron con una en particular debido a su contenido de Omega 3. Si bien las pruebas con salmones ya se hicieron, la actividad de la búsqueda de cepas, aún no ha sido concluida debido a que se estima pertinente continuar la investigación en la mejora del producto y evaluar los contenido de omega 3 de otras cepas que puedan ser de interés en un futuro y puedan contribuir o añadir valor al producto ya determinado. Como conclusión a la etapa de las cepas, se determinó que la cepa ocupada hasta el momento era la indicada debido a su alto contenido de EPA y debido al interés comercial, sin embargo se decidió continuar buscando nuevas alternativas de Omega 3, que contengan DHA de manera de continuar explorando las cepas dispo-


nibles de forma paralela al desarrollo de las pruebas pilotos. Una vez que se cultivó la cepa escogida para realizar las pruebas, se realizaron las actividades de secado de la microalga, en donde se evaluaron diferentes parámetros para obtener el mejor producto posible. El formato nal fue la microalga seca que posteriormente se incluyó en la dieta de los salmones para realizar la pruebas de alimentación. De manera paralela, se comenzó de manera anticipada, a prospectar el mercado para establecer alianzas estratégicas, para realizar las pruebas pilotos de manera adecuada, y para establecer las bases de la prospec-

microalga en polvo, homogenizando para luego proceder a extruir a una temperatura de 87 °C y una presión de 10,2 bar, obteniendo los pellets de 6 mm. Sin embargo, al momento de aceitar la dieta A, se observó que el pellet no fue capaz de absorber el porcentaje de aceite incorporado, por lo tanto se dejó escurriendo y por diferencia de peso se determinó que la dieta había quedado con un 16 % de aceitado. Entonces, al momento de aceitar la dieta control se hizo al 16 % con una mezcla de 50/50 de aceite de pescado y canola.

CONTROL: DIETA COMERCIAL

ADITIVO: DIETA COMERCIAL+ MICROALGA

ADITIVO

g/100g

ción cientíca y económica.

Las próximas actividades estarán relacionadas con concluir la evaluación de las cepas microalgales, determinar la conservación del producto, realizar la prueba con los camarones. Sobre las actividades de las Pruebas en Dietas para engorda de salmón Atlántico. La investigación fue realizada con 202 adultos de salmón del Atlántico, los cuales fueron seleccionados y acopiados en un estanque de 7 m3 durante 19 días, al culminar este periodo 140 peces fueron distribuidos en 4 estanques de 1 m3 con 35 peces/tk los cuales fueron aclimatados durante 16 días. Posterior a esta etapa se dió inicio al proceso de alimentación durante 49 días con 2 dietas, una control y la dieta control + 15% microalga (Dieta A), como se ve en el gráco inferior.

Dieta A

Humedad Proteínas (%NXE 6,25) Lípidos Cenizas Fibra cruda Extracto no nitrogenado Energía (kcal/100g)

8,3 35,2 25,0 10,5 2,5 18,5 440

Dieta Control

DIETA CONTROL Para la fabricación de las dieta control y Dieta A, se hizo en dos batch. Se adquirieron 120 Kg de la dieta normal de la empresa Biomar sin aceitar, obteniendo la premezcla del alimento para fabricar la dieta control y la dieta A. Para la fabricación de la dieta control se tomaron porciones de todas las moliendas, en el caso de la dieta A además se le agregó a las moliendas el 15% de

Humedad Proteínas (%NXE 6,25) Lípidos Cenizas Fibra cruda Extracto no nitrogenado Energía (kcal/100g)

g/100g 6,2 37,1 24,3 9,0 2,9 20,5 229

83

La alimentación se entregó de forma manual de acuerdo a la demanda de los peces, deteniéndose la entrega de alimento cuando los peces no presentaban respuesta a la alimentación. Se entregaron 4 dosis en la mañana de y 3 dosis en la tarde en los estanques que se muestran a continuación.

CONCLUSIONES PRELIMINARES • Se comen el alimento con microalga • El alimento con inclusión de microalga fue mayor que

el control, obteniendo peces más grandes que con el control. • Se puede observar que los peces de la dieta control

tienden a escupir el alimento y después buscarlo nuevamente, esta actitud no se ve reejada en los estanques

con dieta experimental, este comportamiento puede estar relacionado con la textura del pellet control el cual es mucho más poroso que el experimental el cual es abundante en aceite

PRUEBAS EN CAMARONES Con respecto a las pruebas con los camarones, éstas se realizarán en Febrero del 2015. Sin embargo ya se realizaron las primeras pruebas preliminares en larvas con las empresa ATISA con producto seco, en febrero se realizarán pruebas a una escala mayor. Producto aceptado y consumido por los estadios larvales evaluados, observando un comportamiento similar al ser alimentadas con el alimento control (Spirulina). La sobrevivencia es variable, lo cual no sólo depende del alimento si no además de la estación del año, (condición climatica) calidad de la eclosión del camarón y control de temperatura.

84

El producto tiene buena aceptación de parte del laboratorio, el cual ayudó a conseguir la conanza de un

segundo laboratorio que evaluó el uso del producto. Se consigue realizar pruebas adicionales con otro laboratorio del mismo sector, obteniendo resultados positivos.


BIOFERTILIZANTE En Chile aún no toma fuerza la iniciativa de implementar el uso de biofertilizantes a partir de microalgas en la agricultura, por lo tanto, una materialización de este tema, podría sentar las bases a nivel regional, para comenzar a difundir la oportunidad de utilizar

podría sentar las bases a nivel nacional, para comenzar a difundir esta materia prima, la cual por lo demás presenta múltiples benecios respecto de la materia prima

convencional para la producción de biofertilizantes. El permitir el desarrollo de biofertilizantes es fundamental para potenciar el desarrollo de los cultivos de microalgas en la zona norte, ya que el desarrollo de sistemas otras fuentes de abono en los cultivos. La nalidad de cultivos de microalgas a nivel masivo no solo es una es la producción de biofertilizantes a partir de micro- actividad económica por sí sola, sino que además peralgas, permitiendo por una parte valorizar el uso de la mite potenciar otras actividades económicas a las agríbiomasa microalgal, y con ello desarrollar el negocio de colas como potenciar las actividad acuícolas, porque la producción de biomasa microalgal y por otro el desa- biomasa microalgal también es un importante alimento rrollo de una industria agrícola de biofertilizantes en la para peces y otras especies marinas que posteriormenzona, potenciando la agricultura regional. Teniendo en te de pueden desarrollar habiendo disponible biomasa cuenta que es un área poco investigada y explotada microalgal a precios competitivos. desde el punto de vista de una agricultura sostenible. Utilización de la biomasa para transformación en bioferPor otro lado, en la actualidad con el aumento del uso tilizante: Se evalúa la rentabilización del proceso a trade fertilizantes químicos, la tierra está perdiendo rápida- vés de la obtención de biomasa microalgal, la que a su mente su fertilidad, obligando a los agricultores a utilizar vez será tratada para la obtención de un producto nal una mayor cantidad de fertilizantes y en otros casos, a (extracto), el cual tendrá como nalidad su utilización dejar la agricultura como medio de vida. Es por esto que como biofertilizante, tomando en cuenta, la crecienel uso de biofertilizantes representa una importante alte demanda por productos orgánicos a nivel mundial ternativa para contribuir a limitar el uso de fertilizantes y nacional, donde nuestro país, destina cada vez mas químicos perjudiciales, así como pesticidas, reduciendo el impacto negativo sobre el medio ambiente, aumentan hectáreas de tierras para este tipo de práctica agrícolos rendimientos, disminuyen los costos, preserva la ca- la. Mediante la utilización del desarrollo tecnológico lidad ambiental y por ende nuestra calidad de vida, ya para la transformación de esta biomasa, se puede que estos microorganismos son inocuos para la salud generar mayor valor agregado, el cual es considerado un componente económico clave. humana. Se evalúa la rentabilización del proceso a través de la obtención de biomasa microalgal, la que a su vez será tratada para la obtención de un producto nal, el cual tendrá como nalidad su utilización como biofertilizante,

tomando en cuenta, la creciente demanda por productos orgánicos a nivel mundial y nacional, donde nuestro país, destina cada vez más hectáreas de tierras para este tipo de práctica agrícola. Mediante la utilización del desarrollo tecnológico para la transformación de esta biomasa, se puede generar mayor valor agregado, el cual es considerado un componente económico clave.

COMPONENTES DE INNOVACIÓN Marcar un precedente a nivel nacional. A nivel mundial existen varios países, los cuales están implementado el uso de algas para la obtención de biofertilizantes, sin embargo en Chile no existen iniciativas como esta, para producir biofertilizante a partir de microalgas, por lo tanto, la materialización de este proyecto,

BIOFERTILIZANTES A PARTIR DE BIOMASA MICROALGAL Aminoácidos en nutrición vegetales Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas. Estos constituyen, con los hidratos de carbono y lípidos, el tercer grupo de sustancias fundamentales de los organismos, tanto animales como vegetales. Las proteínas son sustancias orgánicas nitrogenadas de peso molecular elevado. Están formadas por unidades estructurales, los aminoácidos, unidos entre sí por enlaces peptídicos. El grupo de sustancias denominadas proteínas es muy amplio, sin embargo el número de aminoácidos existentes en la naturaleza es de unos 20. Las distintas proteínas están constituidas por series denidas de aminoácidos y poseen propiedades siológicas muy especícas.

Las plantas sintetizan los aminoácidos a través de re-

85

© Norsk Havbrukssenter

acciones enzimáticas por medio de procesos de amina- A. Evaluar los momentos idóneos de aplicación de los ción y transaminación. El primero de ellos se produce a diferentes cultivos; la inuencia de los factores ambienpartir de sales de amonio absorbidas del suelo y ácidos tales; las dosis más adecuadas en cada caso, etc. orgánicos, producto de la fotosíntesis y la transamina- B. Evaluar más profundamente el mecanismo de acción ción permite producir aminoácidos a partir de otros pre- de los aminoácidos respecto al metabolismo vegetal. existentes. La síntesis de proteínas por la planta se realiza a partir de los aminoácidos, siendo imprescindible la Por ejemplo los aminoácidos pueden actuar cuando la planta se encuentra bajo unas condiciones particulares, presencia de todos y cada uno de los constituyentes de cuando muestran unas necesidades especícas: en la proteína en cuestión. momentos en pleno crecimiento, oración, cambios amPor lo anterior, es que la utilización de hidrolizados de bientales como: heladas y sequías, enfermedades fúnproteínas como fuente de aminoácidos en el campo de gicas o víricas. Algunos aminoácidos, como la prolina, la fertilización se emplea en agricultura desde hace más juegan un papel fundamental en los equilibrios hídricos, de cuatro décadas. Durante los últimos años se han ve- especialmente cuando las plantas sufren a causa de alnido realizando estudios e investigaciones para evaluar guna alteración siológica. el uso de diversas fuentes de proteínas para la produc- Asimismo, se ha comprobado que los aminoácidos, ción de estos hidrolizados y además para explicar el me- pueden formar complejos unidos químicamente con mecanismo de acción de los aminoácidos y sus efectos en tales (quelatos). Estos quelatos penetran más fácilmenlos vegetales. te en las células de la planta y por tanto los hidrolizados Para explicar en lo posible los mecanismos de acción del de proteína pueden jugar el papel de transportadores de metales en la planta. efecto de la incorporación de aminoácidos, se procede en la investigación fundamentalmente por dos caminos: Con la investigación realizada a la fecha se puede con-

86


Glicina

- Precursor de la clorola.

- Fuerte poder complejante de microelementos esenciales. Prolina e Hidroxiprolina - Regulan el equilibrio hídrico de la planta. - Mejoran la capacidad de resistencia ante situaciones de estrés por bajas temperaturas, falta de agua o exceso de sales. - Refuerzan las paredes celulares haciendo más resistentes los tejidos. - Mejoran la fertilidad del polen. Glutámico

- Estimula los procesos procesos de crecimiento de los meristemos radiculares, foliares foliares y orales.

- Es una reserva natural de Nitrógeno en la planta que puede transformarse en otros aminoácidos gracias a las transaminasas. - La Glutamato Deshidrogenasa es la enzima clave que hace asimilable por la planta el nitrógeno mineral aportado en el abonado. Serina

- Regula el equilibrio hídrico de la planta. - Es esencial en la síntesis de la clorola.

Arginina

- Es precursor de las poliaminas, necesarias para desencadenar la multiplicación celular. - Estimula el crecimiento de las raíces. - Interviene en la síntesis de la clorola.

Fenilalanina y Alanina

- Es precursor de la lignina, que conere resistencia a los tallos - Fundamental para la síntesis de la clorola.

- Importante en el metabolismo hormonal de las plantas. - Induce mecanismos de resistencia a virosis.

cluir, a modo de resumen, los siguientes puntos:

soja, girasol) se han probado con éxito para obtenerlos.

Los hidrolizados de proteínas pueden ser obtenidos por las partes aéreas de las plantas. diferentes métodos tales como la hidrólisis ácida, con proteasas exógenas, o autolisis enzimática. La materia • Fácil metabolización. • Función alimenticia y poder catalizador y regulador del prima (proteína) se somete a un proceso controlado, crecimiento actuando en los mecanismos enzimáticos hasta obtener un líquido fácilmente miscible en agua. Aparte de que la solución sea rica en aminoácidos lifundamentales. bres, es importante que suministre aquellos de impor• Transportadores Transportadores de los micro elementos. tancia biológica, tales como: glicina, alanina, ácido glutámico y prolina. • Rápida absorción y traslación de los aminoácidos por

HIDROLIZADOS DE PROTEÍNAS PARA LA OBTENCIÓN DE AMINOÁCIDOS El disponer de una disolución que contenga un elevado contenido en aminoácidos libres, permite aportar a la planta la fuente directa para que ésta sintetice las proteínas. Esta fuente de aminoácidos libres se puede obtener mediante el proceso de hidrólisis de sustancias proteicas de origen animal o vegetal. Subproductos de origen vegetal (carne y harina de guisantes, harina de

Producto de la hidrólisis enzimática de proteínas se generan moléculas más pequeñas como péptidos de cadenas larga, péptidos de cadena corta y aminoácidos, cumpliendo cada una de ellas un efecto particular en el metabolismo y nutrición vegetal.

Rol de los aminoácidos Son nutrientes de absorción inmediata esenciales para la síntesis de proteínas y enzimas, y son precursores

87

de la clorola y de hormonas. También También pueden quelatar

microelementos para que sean mejor absorbidos por la planta.

ROL DE LOS PÉPTIDOS Son moléculas formadas por la unión de varios aminoácidos mediante enlaces peptídicos. • Péptidos de cadena corta: Son fácilmente absor -

bidos y sirven como transportadores al interior de la planta de otros nutrientes. Se ha observado que en determinadas circunstancias cumplen las siguientes acciones siológicas y bioestimulantes en plantas: • Activación de enzimas como la Nitrato Reductasa,

Glutamato Deshidrogenasa y Malato Deshidrogenasa, que permiten una mejor asimilación y utilización de macro y micronutrientes. • Activación de la síntesis de hormonas naturales de

las plantas como auxinas, giberelinas y citoquininas, activadoras fundamentales del crecimiento vegetal. • Sirven de trasbordadores de otras sustancias con

las que se mezclan como fungicidas e insecticidas, hormonas para el cuaje y micronutrientes (hierro, zinc, manganeso, calcio, etc), favoreciendo la penetración y asimilación por la planta. • También pueden complejar microelementos para una

más fácil absorción por la planta. • Péptidos de cadena larga: Son de absorción más

lenta por las plantas y necesitan ser degradados a péptidos de cadena corta y aminoácidos para ser absorbidos por las plantas. Si se aplican por el riego, estos péptidos van a favorecer la ora microbiana, y

mejorar la textura y estructura del suelo. Se ha observado que en determinadas circunstancias cumplen las siguientes acciones siológicas y bioestimulantes en plantas: • En aplicaciones al suelo y foliares son una reserva re-

gular de nutrientes. • Efecto mojante en aplicaciones foliares. • En aplicación al suelo ayudan a activar la ora micro -

biana del suelo y mejoran la textura y estructura del mismo (incrementan la porosidad, aireación, capacidad de retención de agua, etc).

88


Biofertilizante de biomasa microalgal en Desert Bioenergy S.A.

Las proteínas a partir de microalgas han sido ampliamente descritas para su utilización para la nutrición humana y animal, pero en ambos casos se recomienda realizar una hidrólisis enzimática para mejorar la digestibilidad de las proteínas celulares. Es por ello que la biomasa de microalgas también se ha propuesto como biofertilizante por su perl de aminoácidos y su contenido en otras sustancias naturales derivados de las microalgas.

de microalgas con actividad bioestimulante y/o biofertilizante para cultivos agrícolas se destacan las siguientes etapas:

Fertilizantes basados en aminoácidos proveen a las plantas con los elementos necesarios para desarrollar sus estructuras, ahorrando energía metabólica ya que el nitrógeno no tiene que reducirse como sucede en el caso de los nitratos que deben ser reducidos a amonio

En esta etapa se evaluaron métodos de pretratamiento para el acondicionamiento de la biomasa microalgal, es-

antes de su incorporación y conversión a α-cetoácidos

lular, especícamente las proteínas.

para sintetizar aminoácidos. Dentro de la investigación realizada por Desert Bioenergy en la creación de un producto basado en biomasa

ETAPA 1. Acondicionar la biomasa

microalgal para el proceso de producción del biofertilizante.

pecícamente el efecto de la rotura de la pared celular

de las células microalgales para ver el efecto de esta operación respecto a la liberación del contenido intracePara ello se utilizaron diferentes técnicas como la molienda en seco, la sonicación y la homogenización a alta presión, y la estrategia de solubilización de proteínas

89

© Waldo Nell

que mejores resultados dio fue aplicada a mayor escala, determinándose la posibilidad de utilizar este protocolo de acondicionamiento de la biomasa en una fase piloto de producción del biofertilizante.

similar como Otro 1 (20.07 g/L) y Otro 2 (28.30 g/L). Además en la Figura 1.1 se muestra la comparativa de la cantidad de aminoácidos de interés agrícola por producto, con resultados iguales o superiores para los productos de DBSA.

ETAPA 2. Evaluar diferentes métodos para la obtención de un biofertilizante concentrado.

Con el objetivo de evaluar diferentes condiciones de hidrólisis del contenido proteico de la biomasa microalgal, se probaron diversas enzimas comerciales a diferentes condiciones de operación Se trabajó con muestras de concentrados de biomasa de cepas de Desert Bioenergy S.A. (DBSA 1, 2 y 3) y se determinó las condiciones de tiempo, pH, temperatura y dosis para la obtención del hidrolizado a base de microalgas. Con las cepas de la empresa se obtuvieron concentraciones de aminoácidos libres en el producto de 24.56, 18.87 y 28.00 g/L para DBSA 1, DBSA 2 y DBSA 3, respectivamente, concentraciones similares a productos ya disponibles en el mercado de naturaleza

90

>> Comparativa de la concentración de aminoácidos

libres de interés totales y libres de productos similares disponibles en el mercado.


ETAPA 3. Evaluar la calidad del

biofertilizante en la industria agrícola. Como prueba preliminar para evaluar el efecto de incorporar el biofertilizante en cultivos vegetales, se realizó una prueba experimental preliminar en cultivos

hidropónicos de batavia, un tipo de lechuga (Lactuca sativa), en sistemas basados en la tecnología NFT (Figura 1.2) con un sistema como control, es decir sólo se le repuso nutrientes, y a los otros 3 nutrientes y el biofertilizante en dosis crecientes para cada sistema (1, 3 y 5 mL/L).

>> Cultivos hidropónicos de lechuga con adición de biofertilizante (días 0, 12, 19 y 27)

Se cosecharon las lechugas, midiéndose el largo y peso (61%) del peso de la lechuga con un valor promedio de de la raíz, y el número, largo y peso de las hojas. Se 315 g del cuarto sistema (5 mL/L) respecto al control promedió los valores correspondientes a cada sistema, de 195 g. para comparar el efecto de la adición del producto sobre la cosecha de los sistemas y se resumen las diferencias Hojas Raíz respecto al control, como se muestra en la tabla adjunta. Dosis, Número Largo Masa Largo Masa ml/L Se evidencia una mejora en todos los sistemas con adición del producto, notándose aumentos del número, 0 0% 0% 0% 0% 0% largo y peso de las hojas, así como el peso de las raí1 18% 4% 22% 0% 14% ces, esto signica unidades de lechuga prácticamente

del mismo largo, pero con mayor cantidad de hojas y gramaje. Además a medida que aumenta la dosis de producto, existe un aumento lineal del número de hojas y peso de la raíz, pero un aumento aún mayor del peso de la lechuga, obteniéndose una mejora signicativa

3

18%

6%

27%

-14%

31%

5

30%

5%

61%

-16%

39%

>> Cuadro comparativo del efecto de la adición de 3

dosis del biofertilizante a la solución nutritiva sobre las características físicas de la lechuga respecto del control.

91

92


Agradecimientos Agradecemos a todos los investigadores y colaboradores que participaron durante los cinco años de ejecución del consorcio Desert Bioenergy y permitieron llegar a logros que presentamos en este libro. Los investigadores y colaboradores que fueron parte del consorcio fueron los siguientes: Dr. Carlos Riquelme Dr. Rodrigo Navia Sra. Claudia Sepúlveda Sra. Jazmín Bazaes Sra. Paola Marticorena Sr. Sebastián Vargas Dra. Mariela Rivas Dr. Manuel Zapata Dr. Arturo Reyes Sr. Claudio Barahona Sra. Karina Riveros Sr. Sebastián Durán Dra. Carolina Shene Dr. Edgar Uquiche Dr. Gustavo Ciudad Dra. Mónica Rubilar Sra. Claudia Bahamondes Sr. Patricio Nuñez Sr. Jimmy Villanueva Sra. Fernanda Espinoza Sr. Javier Leiva Dra. Laura Azócar Dr. Claudio Toro

Dr. David Jeison Dra. Simonet Torres Dr. Fernando Romero Dr. Robinson Betancour Sr. Hernán Díaz Sra. Carolina Beltrand Sr. Víctor Pizarro Sr. Felipe Alcayaga Sr. Esteban Villegas Sr. Axel Godoy Sr. Álvaro Suazo Sr. Isaac Reyes Sr. Leonel González Srta. Catherine Torres Srta. Sonia Millao Sr. Homero Vega Sr. Diego Reyes Sra. Yanet Leyton Sr. Robinson Muñoz Sra. Betty Cancino Sr. Eduardo Morales Sra. Noelia Sepúlveda Sra. Fabiola Valdebenito Sr. Tomás Mora Sr. Álvaro González Sra. Virginia Bizama Sr. Guillermo Ramirez Sra. Ana María Rivacoba Srta. Sandra Carreño Srta. Fabiola Gaete

93

Desert Bionergy 2015

Recommend Documents