PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE MICROALGAL DE LA ESPECIE Chlorella vulgaris Alejandra Franco Soriano, Alejandro Torres Aldaco, Helen D. Lugo Méndez, Raúl Lugo Leyte y Jesús A. Ochoa Tapia. Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, Av. San Rafael Atlixco No. 186, Colonia Vicentina, Ciudad de México, D.F., 09340, México.
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Resumen El objetivo de esta investigación es producir biodiesel a partir de aceite microalgal obtenido de la especie Chlorella vulgaris cultivada en efluentes de una planta de tratamientos de aguas residuales en condiciones de laboratorio. A la biomasa obtenida después del periodo de cultivo se le extrae el contenido lipídico mediante el método químico “Soxhlet”, se realiza la bioconversión a biodiesel mediante el método de transesterificación. La máxima concentración celular alcanzada en los primeros 11 días de cultivo fue de 1.153x 106 cel ml-1 en el efluente del reactor secundario. La densidad celular se mide mediante método directo en cámara de Neubauer y con curva patrón de Absorbancia contra peso seco de microalga a 680 nm. La extracción de lípidos por método Soxhlet presento un rendimiento del 10% en peso seco por cada 10 g de biomasa seca (0.192 g). Introducción Las microalgas se han investigado por muchos investigadores intensamente durante las dos últimas décadas como una alternativa de materia prima para la producción biocombustibles como el biogás mediante digestión anaerobia, producción de hidrogeno y biodiesel, debido a su alta producción y rendimiento lipídico, rápido crecimiento y alta capacidad de captación gases de efecto invernadero [3], reducción de contaminantes presentes en los efluentes del tratamiento de aguas residuales no removidos en el proceso, abono orgánico, entre otras. Además, de que su composición celular consta de proteínas, aminoácidos, lípidos, entre otros, Figura 1; siendo los lípidos los de principal interés para la producción de biodiesel el cual ofrece ventajas como la baja producción de emisiones indeseables (CO 2 , hidrocarburos aromáticos poli cíclicos, partículas de hollín, SO x , NO x ) mayor lubricación en dentro del motor durante la combustion, en comparación con el diesel de origen fósil [4]. Existen diversos métodos de extracción físicos, mecánicos y químicos siendo este último el método con mayores rendimientos en el manejo de la microalga Chlorella vulgaris debido a la utilización de solventes orgánicos ofreciendo una mayor extracción de lípidos. La principal composición de ácidos grasos predominante en el lípido microalgal son el mirístico (14:0), palmítico (16:0), esteárico (18:0), palmitoleico (16:1), 16:2, 16:3, oleico (18:1), linoleico (18:2), y gama linolenico -18:3)[5].La reacción de transesterificación es la transformación de un triglicérido en un éster alquílico de ácidos grasos, en presencia de un alcohol (metanol o etanol) y un catalizador (un álcali o un ácido), obteniendo glicerol como subproducto. Las moléculas lineales del éster resultante reciben el nombre de biodiesel y están formadas por el éster del ácido graso y el alcohol. La reacción de transesterificación requiere de 3 moles de alcohol por cada mol de triglicéridos para producir 1 mol de glicerol y 3 moles de metil ésteres (biodiesel), [6], [2]. Reacciones de producción de biodiesel El biodiesel se obtiene a partir de aceites y grasas vegetales o animales de cualquier tipo. Estos están constituídos principalmente por triglicéridos (~95%) y pueden contener en distintas proporciones ácidos grasos libres, mono- y diglicéridos, fosfolípidos e insaponificables, entre otros. Comúnmente el biodiesel es obtenido mediante la reacción de transesterificación de los triglicéridos con alcoholes de cadena corta, típicamente metanol o etanol. Para obtener velocidades de conversión razonables es
necesario utilizar catalizadores. Las reacciones involucradas ocurren de manera consecutiva como se observa en la fig.1. El triglicérido pierde una cadena carboxílica que es transformada en ester (metílico o etílico dependiendo del alcohol utilizado), generando un diglicérido. Éste reacciona nuevamente generando otro ester y el monoglicérido, que luego se transforma en glicerina y ester [Van Gerpen et. al., 2004], [Martínez, 2002]. Tabla 1. Composiciones celulares de diferentes especies de microalga.
Cepa Algas de agua dulce Scenedesmus obliquus Scenedesmus quadricauda Scenedesmus dimorphus Chlamydomonas rheinhardii Chlorella vulgaris Dunaliella bioculata Euglena gracilis Prymnesium parvum Tetraselmis maculada Porphyridium cruentum Spirulina platensis Spirulina máxima Anabaena cylindrica
Proteína (%)
Carbohidratos (%)
Lípidos (%)
50-56 47 8-18 48 51-58 49 39-61 28-45 52 28-39 46-63 60-71 43-56
10-17 21-52 17 12-17 4 14-18 25-33 15 40-57 8-14 13-16 25-30
12-14 1,9 16-40 21 14-22 8 22-38 22-38 3 9-14 4-9 6-7 4-7
Fig. 1 Reacciones y producción de biodiesel
Metodología Cultivo de Chlorella vulgaris La cepa de microalga Chlorella vulgaris es cultivada en el efluente del agua residual de entrada (AR), Agua Primaria (A1), Agua Secundaria (A2) y Agua del Reactor Biológico (ARB) en matraces Erlenmeyer de 250 ml en condiciones de laboratorio, iluminación con lámpara de luz blanca 30 W (450
lm), fotoperiodos 12/12 (luz/obscuridad), agitación constante y temperaturas que se encuentran en el intervalo de (18-27°C), por periodos de cultivo de 15 días midiendo la concentración celular por método directo en cámara de Neubauer. Extracción lipídica Se utilizó un dispositivo Soxhlet para la extracción de aceite algal con un filtro de celulosa de 25 mm x 80 mm con 10 gr de biomasa seca, macerada previamente en mortero, el cartucho se tapa con algodón para evitar fugas de biomasa y prevenir la contaminación de la muestra, el dedal se coloca dentro del tubo de extracción, se vierten 300 ml de hexano al matraz bola y se monta completamente el dispositivo de extracción Soxhlet. Se calienta el solvente a baño maría a una temperatura interna de 60 ºC, el solvente se evapora circulando por el brazo del dispositivo condensando sobre el dedal de celulosa como se muestra en la Figura 2, el proceso de recirculación se lleva a cabo por una hora y media para garantizar la mayor extracción de lipídica. Una vez obtenida la mezcla hexano/ácido graso se realiza una destilación de la mezcla, la fracción de ácidos grasos se queda contenida en el matraz bola Figura 3 .
Fig. 2. Extracción lipídica de la microalga Chlorella vulgaris por método Folch
Fig. 3. Producto lípido/hexano obtenido en la extracción.
Caracterización de lípido microalgal Cromatografía de gases (GC) La caracterización se realiza por medio de cromatógrafo de gases (GC) Agilent Technologies 7820A, con una columna HP, inyector trasero, detector FID, a condiciones de temperatura de 250 °C y 6 PSI en modo Split flow:100 y temperaturas dentro del horno que van de los 15°C/min a 180C los primeros 3 min, 7°C/min a 230°C los 3 min posteriores y finalmente alcanzo los 30°C/min a 350 °C los últimos 6 min de prueba, se inyecto 1 µl de muestra en el puerto correspondiente, cuidando no introducir aire al momento de la inyección. Espectrofotometia de infrarrojo (IR)
El analisis se realiza en un espectrofotometro de infrarrojo “Buck Scientific M530”, la muestra se inyecta con una geringa especial una porcion de muestra a la celda, se corre la muestra por 5 minutos. Poder calorífico Para determinar la energía que es capaz de desprender el aceite microalgal y saber si es adecuado para la conversión a biodiesel y si nos proporcionara energía suficiente, se mide este parámetro en un Calorímetro “IKA C2000 basic”, para este análisis se usaron 0.19 gr de aceite microalgal, a una temperatura en la c Caracterización de biodiesel se obtuvieron los parámetros de acuerdo a las normas oficiales mexicanas que se muestran en la Tabla 1. La reacción de se estudió a una relación molar MeOH-Aceite 6:1; temperatura de reacción en el rango de 40 a 55°C, tiempos de reacción de 3 y 6 h. La catálisis de la reacción fue básica empleando NaOH. La preparación del metóxido se hizo usando 5.4 g. El volumen del reactor fue de 250 ml. Se empleó un sistema de recirculación de CH 3 OH; la velocidad de agitación se mantuvo constante a 450 rpm. Los productos de reacción se dejaron en reposo durante 24 h; para llevar a cabo la separación en un embudo y posteriormente se caracterizaron, midiendo: pH, densidad, viscosidad, poder calorífico, índice de éster, índice de yodo, índice de saponificación, punto de inflamación, punto de nube, de acuerdo a las normas oficiales mexicanas [7]. El poder calorífico superior se determinó utilizando un calorímetro IKA 2000. También se realizo la caracterización del diesel Pemex Resultados Las mayores concentraciones celulares obtenidas en los cultivos de microalga con efluentes de aguas residuales del Reactor Biológico y Agua Secundaria fueron 1.163x106 cel. ml-1 y 1.153x106 cel. ml-1 respectivamente, esto en el día 11 del periodo de 15 días de cultivo, Figura 4. Los lípidos extraídos a 10 g de biomasa corresponden el 10% en peso seco, se obtuvieron 0.192 g de lípidos, los cuales presentaron un poder calorífico superior 37,969 kJ/kg. Del mismo modo en el cromatograma se observa una que el ácido linoleico se encuentra en mayor proporción en la composición total de los lípidos microalgales Figura 5.
Tiempo (h)
Fig. 4. Curvas de crecimiento de la cepa de Chlorella vulgaris en A2
Fig. 5. CG de lípido microalgal, concentraciones en mayor proporción el ácido linoleico, seguido de ácido
(CH 2)n
C-O
CH 3 CH 2
C-H
Fig. 6. IR del aceite algal
El menor punto de nube se obtuvo con la mezcla B100 con un valor de -11.06. La densidad del biodiesel difiere un 7% respecto de la densidad del diesel La viscosidad del biodiesel es mayor comparada con el diesel, este resultado era esperado debido a que la literatura índica que la viscosidad del diesel es menor que la del biodiesel. Prueba
Tabla 1. Caracterización del biodiesel diesel y aceite algal Aceite Biodiesel Diesel Límites algal (B-100)
Norma NMX
Índice de saponificación
261.63
160.33
338.5
186-194
F-174-SCFI-2006
Índice de yodo
135.04
107.08
21.17
120-140
F-152-SCFI-2011
Número de acidez
0.81
0.65
0.65
0-2
K-418-1976
Índice de éster
260.98
159.68
337.85
185-192
K-395-1972
Valor de peróxido
19.21
69.85
181.30
0-20
F-154-SCFI-2010
Porcentaje de Humedad
0.900
0.058
1.421
0 -.1
F-211-SCFI-2012
Punto nube
-11.63
-11.06
-10.33
No hay
No hay
Densidad a 20°C (g/cm3)
0.94
0.82
0.82
0.8-0.96
F-075-SCFI-2012
En la Figura 7, la conversión máxima a biodiesel respecto del tiempo de reacción a una temperatura de 55 ºC fue de 87.2%, mientras que la mínima a 40°C con 68%, al aumentar la temperatura de reacción de 40 a 45°C se tiene un incremento en la conversión a biodiesel del 11.47%, a partir de los 60 min los valores de conversión de biodiesel para las 4 diferentes temperaturas de reacción empiezan a ser constantes, por lo tanto se recomienda no seguir con la reacción hasta los 120 min y así tener un ahorro en el consumo energético. Al aumentar la temperatura de reacción de 50 hasta los 55°C, se tiene un aumento del 2.9% en la conversión de biodiesel, por lo tanto se podría solamente llegar hasta 50°C en la temperatura de reacción y reducir el consumo energético al tener 5 °C menos. Esto nos indica que la temperatura y tiempo de reacción para una conversión máxima de biodiesel es a los 55°C y 45 min respectivamente.
Fig. 7. Conversión a biodiesel a diferentes temperaturas de reacción
Conclusiones La microalga Chlorella vulgaris presenta una mayor adaptabilidad a los efluentes del Reactor Biológico y Agua Secundaria debido a las concentraciones de nitrógeno y fosforo entre otros nutrientes presentes en los medios, estos son los nutrientes necesarios para la reproducción y crecimiento de la microalga. El crecimiento de la microalga en efluentes del Agua Residual así como en el Agua primaria no fue favorecido debido a que las formas de nitrógeno se encuentran en forma de urea los cuales no son de fácil asimilación por la microalga. La conversión máxima a biodiesel respecto del tiempo de reacción a una temperatura de 55 ºC fue de 87.2%, mientras que la mínima a 40°C con 68%. Los parametros evaluados del aceite algal, biodiesel y diesel Pemex, el aceite presento valores por arriba de los límites en un 20 a 30 %, mientras que el biodiesel presenta todos sus parametros de acuerdo a la norma Referencias [1] M. T. A. Peñaranda, A. d. J. M. Roldan y R. O. C. Villanueva., «Produccion de Biodiesel a partir de microalgas: Parámetros de cultivo que afectan la producción de Lipidos.,» Acta Biológica Colombiana, vol. 18, nº 1, 2013 2013. [2] A. Demirbas y M. F. Demirbas, «Energy Frorm Algae,» de Algae Energy; Algae as a New Source of Biodiesel, Turkey, Springer, 2010, pp. 97-98. [3] Y. L. X. Z. y. T. T. Y. Zhang, «Biodiesel production by direct tranesterification of microalgal biomass with co-solvent,» Bioresource Technology, nº 196, pp. 712-715, 2015. [4] R. V. D. M. d. P. S. S. L. S. C. A. M. J. Adriana Garibay Hernández, «Biodiesel a partir de microalgas,» Bio Tecnología, vol. 13, nº 3, 2009. [5] F. &. H. M. A. Ma, «“Biodiesel production: a review”,» Bioresource Technology, vol. 7, nº 70, pp. 1-15. . [6] M. S. H. Canahkci, «Biodiesel production from various feedstocks and their effects on the fuel propieties.,» de Ind Microbiol Biotechnol, 2008. [7] Ramirez Verduzco Luis F., Rodriguez Rodriguez José E. “Predicción del número de cetano, viscosidad cinemática y nsidad del biodiesel”. Revista IMIQ. No 3 México. (2011)
