2017 EFECTOS DE LAS MICROALGAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE EN LA CIUDAD DE HUANCAYO 2017-2018
LISBETH DENNIT SULLCARAY GARCIA 9-5-2017
UNIVERSIDAD CONTINENTAL PORTADA
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE: INGENIERIA AMBIENTAL
EFECTOS DE LA MICROALGA CHLORELLA VULGARIS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE EN LA CIUDAD DE HUANCAYO 2017-2018
PROYECTO DE TESIS PARA OPTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO AMBIENTAL
PRESENTADO POR:
LISBETH DENNIT SULLCARAY GARCIA
HUANCAYO – PERÚ 2017
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ÍNDICE ........................................................................................................................................ i PORTADA ......................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ........................... 4 CAPITULO I .......................................................................................................... ............................................................................................. ........................... 4 PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ..................................................................
1.1
Caracterización y formulación del problema ............................................................... 4
1.1.1
................................................................................ ............. 4 Caracterización del problema ...................................................................
1.1.2
..................................................................................... 8 Formulación del problema ......................................................................................
1.2
........................................................................................................................... ............. 8 Objetivos ..............................................................................................................
1.2.1 1.3
...................................................................................................... 8 Objetivo general .......................................................................................................
............................................................................................. ................ 9 Justificación e importancia .............................................................................
................................................................................................................................. 10 CAPITULO II .................................................................................................................................. ....................................................................................................................... ........................................................... 10 MARCO TEÓRICO ............................................................
2.1
Antecedentes de la la investigación. investigación. .............................................................................. 10
................................................................................................................................ 21 CAPITULO III ................................................................................................................................. ......................................................................................................... ................................................ 21 HIPÓTESIS Y VARIABLES.........................................................
3.1
Hipótesis. ........................................................................................................................ 21
3.1.1
................................................................................... 21 Hipótesis de investigación ....................................................................................
3.1.2
........................................................................................................ 21 Hipótesis nula .........................................................................................................
3.1.3
.................................................................................................... .............. 21 Hipótesis alterna ......................................................................................
3.1.4
.......................................................................................... 21 Hipótesis secundarias ...........................................................................................
3.2
................................................................................... 22 Variables y operacionalización ....................................................................................
3.2.1
................................................................................................................. ........... 22 Variables ......................................................................................................
3.2.2
............................................................................................... 22 Operacionalización ................................................................................................
................................................................................................................................ .......................................................... 23 CAPITULO IV ...................................................................... ........................................................................................................................... .............. 23 METODOLOGÍA ..............................................................................................................
4.1
...................................................................... 23 Método y alcances de la investigación .......................................................................
4.1.1
.................................................................................. 23 Método de la investigación ...................................................................................
4.1.2
............................................................................... 24 Alcances de la investigación investigación ................................................................................
4.2
Diseño de la Investigación ........................................................................................... 24
4.3
Técnicas e instrumentos de recolección de datos ................................................... 24
4.3.2 4.3.2.1
................................................ 24 Técnicas utilizadas en la recolección de datos ................................................. ....................................................................................... 24 Cultivo de microalgas ........................................................................................
ii
4.3.2.2
Deshidratación de la biomasa ......................................................................... 25
4.3.2.3
.................................................................................. ......................... 26 Determinación de lípidos .........................................................
4.3.2.4
.......................................................................... 26 Proceso de transesterificción transesterificción ...........................................................................
4.3.2.5
Propiedades Propiedades físico químicas del lípido de microalgas ................................. 27
4.3.3
......................................... 28 Instrumentos utilizados utilizados en la recolección de datos ..........................................
................................................................................................................................. ......................... 29 CAPÍTULO V ......................................................................................................... ............................................................................................. 29 ASPECTOS ADMINISTRATIVOS ..............................................................................................
5.1
................................................................................................................... ........................................................... 29 Presupuesto ........................................................
5.2
................................................................................................................... ........... 29 Cronograma .........................................................................................................
......................................................................................... 30 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................................................
iii
CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1
Caracterización Caracterización y formulación del problema
1.1.1 Caracterización del problema La contaminación del aire es un problema ambiental que cada vez va tomando mayor importancia en el mundo entero, los distintos países como Brasil, estados unidos y demás están proponiendo energías limpias para mitigar el problema. El mercado de biocombustibles en estos países surgieron en respuesta a la subida de precio de combustibles fósiles (petróleo) en 1970, muchos países propusieron políticas para la producción de combustibles limpios el primero a partir de la caña de azúcar, el segundo a partir del maíz (FAO, 2013).
El aumento de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en la atmósfera a nivel mundial por efecto de actividades humanas ha aumentado desde la era preindustrial, registrándose un aumento de aproximadamente 70% entre 1970 y 2004. El dióxido de carbono (CO 2) es el GEI antropogénico antropogénico más importante. Sus emisiones anuales aumentaron aproximadamente un 80% entre 1970 y 2004, de tal manera que en la era preindustrial el valor era de aproximadamente 228 ppm y actualmente es de 385 ppm. Las emisiones de CO 2 originadas por actividades humanas proceden de diversas fuentes, en su mayor parte de la combustión de combustibles fósiles utilizados en la generación de energía, en el transporte vehicular y en los procesos industriales (Las microalgas oleaginosas como fuente de
biodiesel: retos y oportunidades, 2010)
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Figura1. Emisiones mundiales anuales de GEI antropogénicos entre 1970 y 2004 (IPCC, 2007)
FUENTE: FUENTE: Panel Intergubernamental de Cambio Climático
La sorprendente volatilidad del precio del petróleo en los últimos años, alcanzando precios récord (registrándose un precio de US $ 147,50 en julio de 2008 y de tan sólo US $ 32,4 en diciembre de ese mismo año) hace que se generen nuevas energías renovables. Pero estas energías limpias de biocombustibles se concentran en Estados Unidos, Europa, el Sudeste Asiático, China y América Latina, en éste último, destacándose Brasil. En el caso del etanol la producción mundial ha pasado de 4 mil millones de galones en 1990 a 10 mil millones de galones en el 2006, lo que representa un incremento de más de 250%. Siendo los principales productores estados Unidos y Brasil, que juntos r epresenta epresentan n cerca del 80% de la producción mundial. Por su parte, el biodiesel también registra un crecimiento significativo en los últimos 15 años, de registrarse un nivel prácticamente nulo en 1990 a producirse a nivel mundial 1,5 mil millones de galones en 2006, destacándose Europa con casi el 95% de la producción mundial (Infante Villareal, 2012)
El mundo no se encamina hacia un futuro de energía sostenible. Los máximos precios del petróleo plantean preocupaciones sobre el equilibrio de la oferta y la demanda a largo plazo. Las emisiones de CO 2 se han incrementado en más de 20% durante la última década. De hecho, si el futuro se desarrolla en consonancia con las tendencias actuales, tal y como se reseña en el Escenario de Referencia del World Energy Outlook 2005, las emisiones de CO 2 y la demanda de petróleo seguirán creciendo con rapidez durante los próximos 25 años. La creciente demanda del sector transporte seguirá ejerciendo presión
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sobre la demanda del petróleo, aumentando así la intensidad de emisiones de CO 2
(Agencia Internacional de Energia, 2006).
Para (Barrientos Felipe, 2011) , citado por (Diario Gestión, 2007) Estudios europeos estiman que el consumo mundial de petróleo, combinando factor demográfico con una tasa anual de crecimiento de la economía mundial de 3.5% durante las próximas dos décadas, deberá pasar de 9.3 mil millones de toneladas a 15 mil millones (2020). Dada esta situación a futuro, las reservas estimadas y la producción actual de la OPEP (Organización de países Productores de Petróleo), solo se podrá cubrir el 50% de esta demanda.
El contexto energético de Brasil es el siguiente: 56,4% de energía proveniente de recursos no renovables (petróleo principalmente). El 43,6% de energía originada en recursos renovables: 26,3% proveniente de biomasa (caña de azúcar), 13,2%, madera y otras biomasas 13,1%), 14,5% de hidroelectricidad, y otros renovables 2,8%, Se muestra una producción creciente de petróleo y gas, además de perspectivas de agotamiento de las reservas de petróleo en 19 años y de gas en 17 años. El contexto energético de Argentina es de 93% de energía proveniente de recursos no renovables (gas natural, petróleo), 2% de biomasa, En ambos países hay déficit de producción creciente de petróleo que quiere decir agotamiento en próximos años (IICA Argentina, 2005)
Los escenarios y estrategias hasta el año 2050 se ven reflejadas en el estado de las tecnologías energéticas (energías renovables) este innovador trabajo valora las formas en las que el mundo puede mejorar la seguridad energética y frenar el aumento de CO
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y
reducir el impacto de dependencia en los combustibles fósiles. Un suministro de energía segura, fiable y asequible es fundamental para la estabilidad y desarrollo económico (Agencia Internacional de Energia, 2006).
México como Colombia y otros países Latinoamericanos actualmente son exportadores de petróleo, pero las reservas probadas y la calidad del petróleo están disminuyendo. Actualmente los planes para la implementación implementación y desarrollo de tecnologías para la obtención de energías renovables llevan un gran avance en el desarrollo tecnológico (Producción de Biocombustibles a partir de Microalgas, 2012)
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En Perú se han creado nuevas políticas para establecer un marco general de la promoción del desarrollo del mercado de biocombustible, con ello se busca diversificar el mercado de combustibles y sobre todo disminuir la contaminación ambiental que directamente tiene que ver con la producción de CO 2 y gases de efecto invernadero que produce el parque automotor (MINAM, 2008) La situación de Perú, en las principales ciudades peruanas, el uso de combustibles fósiles provoca, además de la emisión de gases de efecto invernadero, serios problemas de contaminación del aire. En los últimos años, esta situación ha empeorado, debido al incremento del parque vehicular abastecido por diésel. El consumo de diésel, de acuerdo con la Figura 2 ha pasado de 58,2 miles de barriles por día en 1999 a 73,1 miles de barriles por día en el 2007, y se proyecta que alcance los 83,7 miles de barriles en el 2010 (Instituto interamericano de cooperación para la agricultura, 2010 pág. 205) Figura 2. Consumo diario de productos derivados de petróleo en el periodo 1999-2008. Proyección 2009-2010(miles de barriles/día)
FUENTE: MIEM, PE 2008
Según (DIGESA, 2012) Dirección General de Salud Ambiental el principal contaminante atmosférico en Lima provienen de motores de combustión diésel o petróleo. Alrededor de
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4000 personas mueren cada año en Lima victimas de contaminantes atmosféricos como óxidos de azufre y partículas que se le atribuye al parque automotor (CONAM, 2012)
1.1.2 Formulación del problema A)
Problema general general
¿De qué manera influye las características físico químicas de los lípidos obtenidos de la microalga clhorella vulgaris para la producción de biocombustible? B)
Problemas específicos
¿Cuál es la probabilidad de obtener un índice cetano mayor a 45 para producir biocombustible? ¿Cuál es la relación entre la microalga chlorella vulgaris y biocombustible? ¿Cuál es la probabilidad de crecimiento en masa de las microalga chlorella vulgaris para producir biocombustible?
1.2
Objetivos 1.2.1 Objetivo general Determinar cómo las propiedades físico químicas los lípidos obtenidos de la microalga clhorella vulgaris son favorables para la producción de biocombustible 1.2.2 Objetivos específicos Obtener un índice cetano mayor a 45 del lípido microalgal de la clhorella vulgaris para la producción de biocombustible. Determinar la influencia e importancia de las microalga chlorella vulgaris para la producción de biocombustible. Analizar la probabilidad probabilidad de crecimiento crecimiento de la microalga microalga clhorella clhorella vulgaris en masa en la ciudad de Huancayo para la producción de biocombustible.
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1.3
Justificación e importancia
La importancia científica del estudio de las microalgas para la producción de biocombustible radica en brindar información nueva, un aporte de nuevos conocimientos que aún no han sido demostrados. Como en qué condiciones se deben cultivar, que patrones utilizar para un rápido desarrollo y crecimiento de las microalgas en masa para producir biocombustible a partir de ellas. El mundo actual está inmerso en nuevas tecnologías y no está excluido las diversas formas de energías renovables para salvaguardar nuestro planeta, es así que el estudio de los efectos de las microalgas toma importancia porque al proveer al parque automotor de biocombustible se reemplazaría los combustibles fósiles o cualquier otra forma de energía que causa mayor contaminación a la atmosfera por producir dióxido de carbono, gases de efecto invernadero, etc. El estudio de microalgas tiene una gran relevancia ya que se obtendrá más información acerca de las condiciones en las que puede ser cultivada, la temperatura adecuada para el crecimiento en masa, etc. Para que otros estudiantes puedan realizar siguientes investigaciones acerca de las microalgas.
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CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1
Antecedentes de la investigación. investigación. La producción mundial de biodiesel en el 2006 fue de 5,4 millones de toneladas, con Europa con la mayor producción, y proyectando un crecimiento a 7,9 millones de toneladas en el 2007. Estos niveles de producción, que siguen creciendo de manera acelerada, han sido impulsados por una demanda también creciente, generada en muchos casos por regulaciones, incentivos y metas establecidas por los estados. Brasil lanzó en el 2004 el Programa Nacional de Producción y Uso del Biodiesel, que busca impulsar a este combustible como una opción para el desarrollo del agro en las zonas más pobres del país. Este programa consta de un marco regulatorio, de metas físicas de uso de biodiesel, y de una planificación de cultivos oleaginosos en todo el país. Así, en el 2004 fue autorizada la mezcla de 2% de biodiesel en el diésel convencional, y, según la Ley del Biodiesel (Ley 11.097/05), a partir del 2008 este porcentaje de mezcla será obligatorio. Asimismo, a partir del 2013, la mezcla de 5% de biodiesel en el diésel (B5) será obligatoria (Castro Pareja, y otros, 2008 pág. 7) .
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Figura 3. Producción actual y capacidad de producción de biocombustible en el mundo, en el periodo 2002-2008
FUENTE: Biodiesel 2020: A Global Market Survey
Las microalgas como fuente renovable de aceite para la producción de biodiesel ofrecen una alternativa para solucionar la futura crisis energética. Se estudiaron cinco cepas de microalgas a las que se les determinó las productividades de biomasa y lípidos totales, así como el perfil de ácidos grasos de sus aceites. Las ventajas de las microalgas como crecer fotosintéticamente, obtener ácidos grasos de gran productividad por hectárea. El cultivo de microalgas es 30 veces superior al maíz o la soja y respecto al cultivo de la palma africana unas 10 veces superior. Los resultados obtenidos fueron que la mejor candidata es la especie Chlorella vulgaris por presentar las más altas productividades de biomasa (0.150 g L-1 día1) y lípidos (42.49 mg L-1 día-1), posee una gran capacidad para crecer a partir de un gran número de sustratos gran adaptabilidad a disímiles condiciones ambientales, un corto ciclo de crecimiento, el tiempo de cultivo es mucho menor y mejor fuente de ácidos grasos para la producción de biodiesel (Productividad de lípidos y composición de ácidos grasos de cinco especies de microalgas, 2012). Los cultivos de microalgas se realizan mediante áreas sumergidas, sumergidas, tierras infértiles y en agua de mar, estos poseen un impacto ambiental positivo ya que se reduce la concentración de gases de efecto invernadero, debido a que se utiliza grandes
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cantidades de CO2 durante su cultivo. Las microalgas contienen ácidos grasos en su membrana, además también productos de almacenamiento, metabolitos y fuente de energía, mayor productividad de biomasa y mayor velocidad de replicación con respecto a esto le permite acumular entre 20-80% (peso seco) de triglicéridos, triglicéridos, otra de las ventajas que presentan son la alta productividad en menor cantidad o sin uso de terrenos cultivables. Para la producción de lípidos se requiere una especie de microalga, de parámetros ambientales tales como la intensidad y el tipo de luz, la composición del medio de cultivo, temperatura, pH y la asociación con otros microorganismos. En el cultivo de microalgas la deficiencia de nutrientes como hierro y fósforo induce a la producción de lípidos, pero impide el crecimiento celular, sin embargo al limitar de nitrógeno al medio, se promueve la producción de lípidos en las microalgas, acumulación en cuerpos de aceites considerado diferentes especies de Chorella y Scenedesmus como candidatos para la producción comercial de lípidos debido a su rápido crecimiento y f ácil cultivo, C. vulgaris tiene un rendimiento de 40% de peso seco de acumulación lipídica en medio limitado de nitrógeno (Produccion de biocombustible biocombustible a partir de microalgas , 2012) Se evaluó la composición y capacidad de acumulación de lípidos en cuatro microalgas nativas de Colombia que consistieron en la optimización de la acumulación y productividad de lípidos variando los factores como contenido de CO2, irradiancia, fotoperiodo y aireación. La productividad de lípidos óptima predicha por el modelo estadístico dentro del intervalo estudiado fue 69,7 ± 5,9 mg·L-1·día-1, 15,2 veces la productividad de la palma africana para la microalga Chlorella vulgaris presentaron lo cual presenta mayores productividades productividades de lípidos con 18,8 y 18,7mg·L-1·día-1, lo cual le hace eficiente para el uso como materia prima en la producción de biocombustible (Bermúdez, 2012)
Para la extracción de lípidos se utilizó diferentes tipos de metodos una de ellas fue por prensado con rendimiento relativamente bajo, alrededor de 65%. Por eso, generalmente se combina este método con una extracción por solventes orgánicos, ciclohexanos que consiste en un proceso de difusión de un solvente en las células que contienen aceite como materia prima, dando como resultado una solución de aceite en solvente pero la desventaja radica en el peligro al trabajar con productos químicos que pueden explosionar, pero son capaces de obtener más del 95% del aceite total presente en las algas. El segundo método es la extracción enzimática donde se utilizan enzimas, es un método puramente químico presenta la desventaja
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de ser sumamente dependiente y sensible a varios factores, como son la temperatura y la humedad, difíciles de controlar en una fábrica. El tercer método es la extracción por ultrasonidos, la explosión de estas burbujas en las proximidades de las paredes celulares provoca su ruptura y la liberación del aceite que contiene, requiere una instrumentación simple y rápida. Se obtiene un rendimiento de más del 80% dependiendo del tipo de alga. El último método es la extracción con fluidos supercríticos, en este proceso, se licúa el dióxido de carbono y se calienta a presión para que actúe como solvente en la extracción de aceites, el coste de inversión es alto comparado. Pero el mejor método es la extracción por ultrasonido o la extracción con fluidos supercríticos son los mejores desde el punto de vista económico y de rendimiento en la producción (Monthieu, 2010)
2.2
Bases teóricas 2.2.1 Teorías básicas de la investigación investigación LAS MICROALGAS Las microalgas son organismos unicelulares eucariotas fotosintéticos, altamente eficientes en fijación de CO 2, utilizan la energía solar para producir biomasa. Están presentes en ambientes con agua, como lagos y ríos, son en general organismos fotoautótrofos porque obtienen la energía de la luz proveniente del sol y se desarrollan a partir de materia inorgánica (Céspedes, 2015) . Las características más importantes de las microalgas es que crecen rápidamente y tienen el potencial de generar una gran cantidad de biomasa en un tiempo corto, además las características de cultivo que presentan son las siguientes (Fernand, 2012):
Elevada capacidad de generación de biomasa
Generación de biomasa homogénea
Gran variedad de productos y biomoléculas
No necesitan tierra cultivable
Nutrientes simples
Aprovechamiento Aprovechamie nto de la luz solar
Consumo de CO2 de la atmosfera
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Eficiencia fotosintética alta comparada con demás plantas.
Una de las características más importantes de las microalgas es que tienen un rendimiento de aceite mucho mayor que cualquier cultivo convencional. Es de 10 a 20 veces mayor que el derivado del aceite de palma y de 200 a 400 veces mayor que el derivado del aceite de soya. Uno de los ejemplos es el Chlorella vulgaris. (Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel: retos y oportunidades, 2010)
Figura 4. Productividad de aceite de las microalgas en comparación con los cultivos convencionales
(1) 30% de aceite en biomasa (con base a peso seco) (2) 70% de aceite en biomasa (con base a peso seco)
EL BIOCOMBUSTIBLE El combustible o biodiesel es un combustible renovable que se obtiene a través del proceso de transesterificación, se usa como sustituto o como aditivo del diésel de petróleo (Biocombustibles en el Perú y su importancia, 2008) . Consiste en monoalquilésteres de alcoholes de cadena corta, etanol y metanol, con ácidos grasos de cadena larga, en comparación con el petrodiesel tiene ventajas además de ser renovable es biodegradable, produce menos emisiones de gases de CO2 y en especial de SO2 durante su combustión a causa de su estado oxigenado. Posee propiedades lubricantes que reducen el desgaste del motor, baja volatilidad y elevado punto de inflamación (Biodiesel a partir de Microalgas, 2009).
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CARACTERÍSTICAS DEL BIOCOMBUSTIBLE Es una fuente de Energía limpia, renovable, de calidad y económicamente viable, que además contribuye a la conservación del medio ambiente, por lo que represent a una alternativa a los combustibles fósiles. Se trata de un combustible biodegradable, cuyo uso disminuye las emisiones de gases de efecto invernadero y óxidos de azufre. También reduce entre 60% y 90% la cantidad de hidrocarburos hidrocarburos totales no quemados. Cabe mencionar que el proceso de fabricación de biodiesel o biocombustible libera glicerina, la cual todavía constituye un problema por su contenido tóxico (moderado) y contaminante. Aporta un 10% de óxidos nitrosos a la atmósfera (lluvia ácida) con respecto a los combustibles fósiles (Instituto interamericano de cooperación para la agricultura, 2010) Según (Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel: retos y oportunidades, 2010 pág. 91). Las microalgas tienen un rendimiento de aceite mucho mayor que cualquier cultivo convencional,
tiene una huella ecológica
pequeña, se requiere una superficie muy pequeña para cubrir la demanda actual de diésel de petróleo, las microalgas oleaginosas pueden ser cultivadas en agua de mar, en agua salobre o en aguas residuales, disminuyendo así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimentos, las microalgas son excelentes captadoras de CO2 y con relación a la emisión de gases invernadero, muestran un valor negativo. CULTIVOS PARA BIOCOMBUSTIBLE BIOCOMBUSTIBLE Según el estudio realizado en la universidad la agraria el principal cultivo para la fabricación de bioetanol en Brasil es la caña de azúcar y en Estados Unidos el maíz, sin embargo Perú importa nueve millones de barriles de diésel al año. Además también debemos considerar cultivos oleaginosos como la colza, girasol, soja, palma, piñón, ricino, arroz, maní, palta, coco y cocotero que poseen un alto rendimiento en aceite, estas dependen del lugar, año y tratamientos ya que crecen en grandes hectáreas de cultivo (Biocombustibles en el Perú y su importancia, 2008).
2.2.2 Metodologías usadas en el proceso de investigación 15
Existen diversas metodologías para la producción de biodiesel, cuatro de ellas son: uso directo de aceites o mezclas de estos con diésel fósil, micro emulsiones, pirolisis y transesterificación, las tres primeras fueron probadas y resultaron insatisfactorias ya que producen combustión incompleta. Por ello se utilizara el método de transesterificación transesterificación (Biodiesel a partir de Microalgas, 2009) . Transesterificación Es la reacción de los triglicéridos con un alcohol, generalmente metanol o etanol, produciendo esteres (biodiesel) y glicerina, en el primer paso, de los triglicéridos se obtiene el di glicérido, y a continuación se produce el mono glicérido y en el último paso de los monogliceridos se obtiene la glicerina. Como consecuencia se liberan tres moléculas de esteres metílicos, es decir, tres moléculas de biodiesel (Vicente Pardal, 2012) Figura 5. Proceso de Transesterificación del aceite
FUENTE: Atlas de Bioenergía y Biocombustibles
Según (Estudio del proceso de transesterificación para la obtención de biodiesel, 2013) En primer lugar, se aplica la ecuación general de transferencia de masa para un componente i del proceso de transesterificación, considerando como volumen de control al reactor por lotes, para lo cual se ha tenido en cuenta las siguientes consideraciones: a. No existe entrada y salida de materia al reactor durante todo el tiempo que dura el proceso de transesterificación. transesterificación. b. Se considera al reactor por lotes como un volumen de control adiabático e isotérmico. 16
c. La mezcla reaccionante en el reactor por lotes está completamente agitada, de manera que la concentración de cada uno de los componentes es uniforme. d. El número de moles totales y el volumen de la mezcla reaccionante en el reactor por lotes son constantes, en consecuencia lo será la concentración total. e. Las concentraciones de cada uno de los componentes a excepción del ácido graso libre variaran con el tiempo. Figura 6. Diagrama de flujo de los procesos para producción de biodiesel.
FUENTE: Atlas de Bioenergía y Biocombustibles
2.3
Definición de términos básicos
AGENCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (AIE): Es una organización internacional, creada por la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) tras la crisis del petróleo de 1975-1979, que busca coordinar
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las políticas energéticas de sus Estados miembros, con la finalidad de asegurar energía confiable, adquirible y limpia a sus respectivos habitantes.
BIOCOMBUSTIBLE: El biocombustible es un tipo de combustible que consiste de una mezcla de sustancias orgánicas, conformadas a partir de átomos de hidrógeno y de carbono, y que principalmente es utilizado en aquellos motores conocidos como
de
combustión
interna.
BIODEGRADABLE: Que puede descomponerse en elementos químicos naturales por la acción de agentes biológicos, como el sol, el agua, las bacterias, las plantas o los animales.
BIODIESEL: Es un líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiesel o gasóleo.
BIOMASA: Cantidad de productos obtenidos por fotosíntesis, susceptibles de ser transformados en combustible útil para el hombre y expresada en unidades de superficie y de volumen.
CEPAS DE MICROALGAS: Son los tipos de microalgas con diferentes características.
COMBUSTIBLE FOSIL: Término general para designar los depósitos geológicos de materiales orgánicos combustibles que se encuentran enterrados y que se formaron por la descomposición de plantas y animales que fueron posteriormente convertidos en petróleo crudo, carbón, gas natural o aceites pesados al estar sometidos al calor y presión de la corteza terrestre durante cientos de millones de años.
CONTAMINACIÓN AMBIENTAL: es la presencia de sustancias nocivas para los seres vivos que irrumpen en la composición de los elementos naturales, como el agua, el suelo y el aire. Tenemos varias clases de contaminación: atmosférica, hídrica, del suelo, sonora, visual, entre otras.
CULTIVOS
OLEAGINOSOS:
Son vegetales on vegetales de
cuya semilla cuya semilla o fruto puede
extraerse aceite, extraerse aceite, en en algunos casos comestibles y en otros casos de uso industrial. 18
ENERGÍAS RENOVABLES: Es la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.
FAO: Es la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Es decir, es una organización supranacional (que está formada por países y funciona bajo el amparo de la ONU). Su función principal es conducir las actividades internacionales encaminadas a erradicar el hambre.
GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI): Es un gas atmosférico que absorbe y emite radiación dentro del rango infrarrojo. Este proceso es la fundamental causa del efecto invernadero. Los principales GEI en la atmósfera terrestre son el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el óxido de nitrógeno y el ozono.
HUELLA ECOLÓGICA: Es un indicador del impacto ambiental generado por la demanda humana que se hace de los recursos existentes en los ecosistemas del planeta, relacionándola con la capacidad ecológica de la Tierra de regenerar sus recursos.
IICA: El Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura es un organismo especializado del Sistema Interamericano, perteneciente a la Organización de los Estados Americanos (OEA). Sus fines son estimular, promover y apoyar los esfuerzos de sus Estados Miembros para lograr el desarrollo sostenible de la agricultura y el bienestar de las poblacion poblaciones es rurales.
MICROALGAS: Son microorganismos microscópicos (2- 200 μm) fotosintéticos, también son polifiléticos y eucariotas, (excluyen, por tanto, las cianobacterias, que dejaron de considerarse auténticas algas al pasar al reino procariota) que pueden crecer de manera autotrófica o heterotrófica.
OPEP: Organización de países Productores de Petróleo es una organización reconocida desde el 6 de noviembre de 1962 por la Organización de las Naciones Unidas (ONU). ONU). Su objetivo es coordinar y unificar las políticas petroleras entre los países miembros, con el fin de garantizar unos precios justos y estables para los productores de petróleo, el abastecimiento eficiente, económico y regular de petróleo a los países consumidores y un rendimiento justo del capital de los inversores.
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PANEL INTERGUBERNAMENTAL DE CAMBIO CLIMÁTICO (IPCC): es una organización internacional, constituido a petición de los gobiernos miembros. Su misión es proveer con evaluaciones científicas comprensivas sobre la información científica, técnica y socioeconómica actual sobre el riesgo de cambio climático provocado por la actividad humana, sus potenciales consecuencias medioambientales y socioeconómicas, y las posibles opciones para adaptarse a esas consecuencias o mitigar sus efectos.
PARQUE AUTOMOTOR: Está constituido por todos los vehículos que circulan por las vías de la ciudad, entre los que encontramos automóviles particulares, vehículos de transporte público y vehículos de transporte de carga. Su incidencia ambiental está representada en la contribución de contaminantes por tipo de combustible y la circularidad vehicular. Actualmente estas emisiones se han convertido en un problema ha alcanzado grandes dimensiones, en parte debido al incremento descontrolado de la motorización y las escasos mecanismos de control.
PETROLEO: Sustancia compuesta por una mezcla de hidrocarburos, de color oscuro y olor fuerte, de color negro y más ligera que el agua, que se encuentra en estado natural en yacimientos subterráneos de los estratos superiores de la corteza terrestre; su destilación fraccionada da productos de gran importancia industrial como la gasolina, el queroseno, el alquitrán, los disolventes, etc.
TRANSESTERIFICACIÓN: Es el proceso de intercambiar el grupo alcoxi de un alcohol. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base.
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CAPITULO III HIPÓTESIS Y VARIABLES 3.1
Hipótesis. 3.1.1 Hipótesis de investigación investigac ión Las propiedades físico químicas del contenido lipídico de la microalga chlorella vulgaris contribuyen a la producción de biocombustibles de forma significativa porque posee las características características optimas en comparación comparación con el petrodiesel. 3.1.2 Hipótesis nula Las propiedades físico químicas del contenido lipídico de la microalga chlorella vulgaris no contribuyen a la producción de biocombustibles de forma significativa porque no posee las características optimas en comparación con el petrodiesel. petrodiesel. 3.1.3 Hipótesis alterna El contenido lipídico de la microalga chlorella vulgaris influye en la producción de biocombustible en un 70% haciendo que la producción del mismo sea eficiente. 3.1.4 Hipótesis secundarias
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El rápido crecimiento poblacional de la microalga chlorella vulgaris influencia la producción de biocombustible porque tiene la capacidad de crecer a un ritmo mayor en condiciones óptimas. Los contenidos lipídicos de la microalga chlorella vulgaris en los biocombustibles proporcionan un 60 % de materia prima para ser convertidos a biocombustible. 3.2
Variables y operacionalización operacionaliz ación 3.2.1 Variables Variable independiente: Microalga chlorella vulgaris Variable dependiente: Biocombustible Biocombustible 3.2.2 Operacionalización VARIABLE
DESCRIPCION
INDICADORES
INDICES Método:
MICROALGA CHLORELLA VULGARIS
Microorganismo unicelular fotoutótrofo que realiza la fotosíntesis, capaz de generar biomasa a partir de CO2 y luz.
Energía limpia, BIOCOMBUSTIBLE combustible renovable, derivado de aceites vegetales, o grasa animales que contribuye a la conservación del medio ambiente.
Cultivo en sistemas Crecimiento abiertos(fotobiorrectores) algal rápido. Alto porcentaje de lípidos
Índice cetano Método: Viscosidad Transesterificación cinemática Punto de inflamación
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CAPITULO IV METODOLOGÍA
4.1
Método y alcances de la investigación 4.1.1 Método de la investigación A) Método general o teórico de la investigación investigación
Se utilizará como método general el método hipotético-deductivo, donde mediante la observación del problema se puede estudiar el fenómeno, estudiar la hipótesis para explicar como ocurre la relación entre microalgas y biocombustible, y se puede deducir como las microalgas poseen propiedades que ayudan a disminuir las emisiones de SO 2 en la atmosfera. Además, el método deductivo se utilizará para descomponer información general y generar una sola idea a partir de ellas. B) Método específico de la investigación investigación A partir de la la experimentación experimentación se podrá podrá analizar la relación de las las variables, se manipula la variable independiente para estudiar qué efectos causa en la segunda variable dependiente, se realizará un procedimiento riguroso para comprobar y verificar las hipótesis de la investigación. investigación.
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4.1.2 Alcances de la investigación investigación A) Tipo de investigación investigación Por el tipo de investigación, el presente estudio reúne las condiciones metodológicas de una investigación aplicada, en razón, que se utilizaran conocimientos de las ciencias biológica, química, a fin de aplicarlas en la producción de biocombustible. También porque el alcance lleva a aspectos más prácticos que teóricos. B) Nivel de investigación De acuerdo a la naturaleza del estudio de la investigación, se utilizará el nivel correlacional abarcando dos variables. 4.2
Diseño de la Investigación Se utilizara el diseño experimental ya que se manipularan la variable independiente que es la microalga chlorella vulgaris sometiéndolo a cultivo en un fotobioreactor abierto en las cuales no se pueden controlar los parámetros en su totalidad. Tipo de diseño de investigación.
4.3
Técnicas e instrumentos de recolección de datos 4.3.2 Técnicas utilizadas en la recolección recolecció n de datos 4.3.2.1
Cultivo de microalgas
La cepa de Chlorella vulgaris será proporcionado por el Laboratorio de la Universidad Continental. Para la obtención de la biomasa de C. Vulgaris, se preparará el medio de cultivo con una concentración 4mM de N, a partir de un fertilizante comercial, comercial, éste se distribuirá en seis recipientes de vidrio de 5000 ml y se esterilizará en autoclave durante 15 min a 121ºC. Cada recipiente se inocula con 1 x 106 ufc de microalgas de una suspensión de un cultivo puro de la cepa de C. Vulgaris con densidad óptica (D.O) de 0.1. Los cultivos se mantendrán a 30ºC, con aireación y en presencia de luz durante 15 días, fotoperiodo de 12:12h, para favorecer el crecimiento del
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microorganismo. La iluminación será suministrada solo de forma natural con la luz solar. Los procesos estarán en constante agitación mediante bombas de aire ac – 1500, las cuales proporcionaran 2.25 LO2/min para evitar la sedimentación de las algas y permitir su homogenización en el reactor. El crecimiento se determinará mediante:
4.3.2.2
Deshidratación Deshidrata ción de la biomasa
La biomasa puede ser recolectada por centrifugación, filtración o en ciertos casos por sedimentación gravitacional. Estos procesos pueden ser precedidos por una etapa de floculación. La recolección de la biomasa puede ser problemática ya que las células de las algas tienen una dimensión pequeña (alrededor de 3 a 30 µm de diámetro).La concentración es relativamente pequeña (<0,5 kg.m-3 de la biomasa seca).
Centrifugación La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una centrifugadora, centrifugadora, la cual imprime a la mezcla un movimiento rotatorio con una fuerza mayor que la de la gravedad, provocando la sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad. La centrifugación puede ser rápida, lo que implica un consumo grande de energía, es uno de los procesos más ampliamente utilizados porque separa la biomasa de forma eficiente y sin necesidad de añadir compuestos químicos.
25
4.3.2.3
Determinación Determinación de lípidos
Extracción de lípidos con ultrasonidos Un aparato de ultrasonido se utiliza para crear burbujas de cavitación en el solvente. La explosión de estas burbujas en las proximidades de las paredes celulares puede provocar su ruptura y la liberación del aceite que contiene. Para la obtención de resultados por medio de laboratorio se utilizara la siguiente formula:
100
4.3.2.4
=
2 1
Proceso de transesterificción transesterificción
La transesterificación consiste en la reacción de los aceites (triglicéridos) con un alcohol de bajo peso molecular que es casi siempre metanol en presencia de un catalizador alcalino que es generalmente el hidróxido de sodio NaOH, para producir metilesteres y glicerina. g licerina. Se mejora la velocidad de la reacción con un catalizador y consiguientemente consiguientemente su rendimiento rendimiento final. Normalmente se trabaja a presión atmosférica y temperatura de unos 65°C. Es necesaria una agitación rápida y constante para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir que el glicerol se separe de la fase éster. La transesterificació transest erificación n consta de tres reacciones consecutivas y reversibles (figura 1) y se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1.
26
4.3.2.5
Propiedades Propiedades físico químicas del lípido de microalgas
índice cetano viscosidad cinemática estabilidad oxidativa punto de nube punto de fluidez poder calorífico
27
Propiedades estándar
Unidad
Diesel
Biodiesel
Densidad (15°C)
Kg/m3
UNE-EN 590 820 - 860
875 - 900
Viscosidad (40°C)
Mm2/s
2,00 - 4,50
3,50 - 5,00
Punto de ignición
°C
>55
>110
Contenido de azufre Numero de cetano
% (peso)
<0,20
<0,01
>46
>51
Contenido de oxígeno Poder calorífico
% (peso)
0
10,9
MJ/dm3
35,6
32,9
4.3.3 Instrumentos utilizados utilizados en la recolección de datos Se va a requerir de equipos de laboratorio para poder medir las propiedades físico químicas del biocombustible de microalga como: centrifuga, fotobioreactor abierto, pipeta, propipeta, tubos de ensayo, matraces de ermeleyer, pisceta, cucharilla, cucharilla, aza de siembra, porta objetos, cubre objetos, microscopio, placas Petri.
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CAPÍTULO V ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
5.1
Presupuesto
Rubro Materiales de escritorio Compra de la cepa de microalga biorreactor Placas Petri Tubos de ensayo matraz Agar nutritivo Productos químicos Otros Total
5.2
Mes1 s/20.00
Mes2
Mes3
Mes4
Mes5 s/30.00
Total s/50.00 s/35.00
s/35.00 s/150.00 s/10.00 S15.00
s/10.00
s/150.00 s/30.00 s/30.00 s/30.00 s/25.00 s/75.00 s/45.00 s/470.00
s/10.00 s/15.00
s/30.00 s/25.00 s/35.00 s/20.00 s/270.00
s/40.00 s/80.00
s/45.00 s/70.00
s/30.00
Cronograma Actividades
Inicio y elaboración de estrategias de investigación Aplicación del del diseño experimental, experimental, instrumentos y técnicas de investigación para recopilar información. Interpretación y análisis de información. Redacción del Informe final y entrega de informe
Mes Mes Mes Mes Mes Mes 1 2 3 4 5 6 x x
x
x x x
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Agencia Internacional de Energia. 2006. PERSPECTIVAS SOBRE TECNOLOGÍA ENERGETICA. Paris : OECD, 2006. IEA/AIE. Barrientos Felipe, Pedro. 2011. Los 2011. Los biocombustibles y su efecto en la Agricultura Peruana. Lima : s.n., 2011. Bermúdez, Luis Miguel Serrano. 2012. Estudio 2012. Estudio de cuatro especies de microalgas microal gas para evaluar su potencial uso en la produccion de biodiesel. [aut. libro] Ruben Dario Gooy Silva. BioprocesosCultivo de microalgas. Bogota : s.n., 2012. Biocombustibles en el Perú y su importancia. Calle, M. Jose la. 2008. Lima 2008. Lima : s.n., 2008. pág. 20. Biodiesel a partir de Microalgas. vázquez , Rafael, Sanchez Saavedra, Maria del Pilar y Leobardo Serrano. 2009. 2009, 2009. 2009, bio tecnología Vol. 13 N° 3, págs. 39-40. Castro Pareja, Paula, Sevilla Sevilla, Susana y Coello Guevara, Javier . 200 8. ESTUDIO SOBRE LA SITUACIÓN DE LOS BIOCOMBUSTIBLES EN EL PERÚ. Lima : Soluciones practicas-ITDG, 2008. Céspedes, Alicia Gonzáles. 2015. ¿que 2015. ¿que son las microalgas?: interes y uso. Negocio Agroalimentario y Cooperativo. s.l. : FUNDACIÓN CAJAMAR-GRUPO COOPERATIVO CAJAMAR, 2015, págs. 1,2. CONAM. 2012. 2012. 2012. 2012. Diario Gestión. 2007. 2007. 2007. 2007. DIGESA. 2012. Dirección General de Salud Ambiental. Lima : s.n., 2012. Estudio del proceso de transesterificación para la obtención de biodiesel. Salas Barrera, Fernando Javier. 2013. 1, 2013. 1, s.l. : Producción+Limpia, 2013, Vol. 8. 119-134. FAO. 2013. 2013. 2013. 2013. Fernand. 2012. Microalgas, 2012. Microalgas, definición y características. microalgas. 2012. IICA Argentina. 2005. PERSPECTIVAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES EN LA ARGENTINA Y EN BRASIL. Buenos Aires : s.n., 2005. Infante Villareal, Arturo. 2012. EL MERCADO DE BIOCOMBUSTIBLES EN EL PERÚ Y EL MUNDO. 2012. Instituto interamericano de cooperación para la agricultura. 2010. Atlas de la AGROENERGÍA Y LOS BIOCOMBUSTIBLES EN LAS AMÉRICAS: II BIODIESEL. San Jose de Costa Rica : AGRIS P07, 2010. ISBN/13. Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel: retos y oportunidades. Loera Quezada, Maribel y Olguin, Eugenia. 2010. 351, 2010. 351, Veracruz : s.n., 2010, Vol. 1.
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