Pirólisis rápida de algas: Obtención de productos de alto valor agregado

Abstract

Hoy en día, las algas son consideradas como el tipo de biomasa con mayor probabilidad de proporcionar cantidades suficientes de combustibles sin afectar el suministro de alimentos.Se han desarrollado varias tecnologías con el objetivo de obtener biocombustibles a partir de algas. En el presente trabajo, se investiga la pirólisis rápida de tres tipos diferentes de algas: Pithophora sp. (Ph), Arthrospira platensis - Spirulina (Sp) y Botryococcus braunii (Bb), con un enfoque en la calidad y el rendimiento del producto líquido como un posible biocombustible.La caracterización de las algas mostró un contenido elevado de lípidos para Bb, niveles más altos de proteínas para Sp y cantidades similares de proteínas y carbohidratos para Ph. Un reactor de lecho fijo conectado a un sistema de vacío y flujo de nitrógeno, se utilizó en los experimentos de pirólisis a 300, 400, 500 y 600 °C. A 500 °C, Bb produjo la cantidad máxima de bio-líquido (60% de rendimiento), mientras que Sp y Ph proporcionaron la mayor cantidad a 600 °C, 40% y 23% de rendimiento, respectivamente.El análisis mediante Cromatografía Gaseosa acoplada a Espectrometría de Masas de los líquidos derivados de Ph, consistió principalmente en productos oxigenados y nitrogenados, destacándose 2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-metanol, también conocido en inglés como solketal; y el bio-líquido de Sp presentó principalmente compuestos nitrogenados, siendo 2,2,6,6-tetrametil-4-piperidona (TMP) el producto de mayor relevancia. Bb mostró un alto contenido de compuestos de cadena larga, principalmente alcoholes, ácidos carboxílicos e hidrocarburos insaturados. Este resultado indicaría que los bio-líquidos de Bb pueden usarse como materia prima para la producción de combustible. Se optimizaron las condiciones de pirólisis de Bb, siendo posible trabajar con mayores cantidades de biomasa y menores tiempos de reacción. Se evaluó también la aplicación de catalizadores en la pirólisis rápida de Bb, sin obtener resultados alentadores. Se analizó la capacidad de producción de biolíquido a partir de Bb por extracciones con solventes mediante calentamiento convencional y asistido por microondas, y se encontró que la pirólisis rápida ofreció mejores ventajas como metodología de producción de bio-líquidos.En la segunda parte de la Tesis Doctoral, se evaluaron las posibles aplicaciones tanto de los bio-carbones como de los bio-líquidos obtenidos en la pirólisis rápida. En relación a la fracción líquida, se evaluaron la capacidad antifúngica y antioxidante del bio-líquido obtenido a partir de la pirólisis de Sp, encontrándose valores de actividad inferiores en comparación a bio-líquidos derivados de otros tipos de biomasa.Acerca de las aplicaciones de los materiales sólidos de origen pirolítico, se evaluó la fitotoxicidad de extractos de agua de bio-carbones provenientes de la pirólisis de Sp sobre semillas de Lactuca sativa. Se encontró que los bio-carbones de Sp poseen una elevada fitotoxicidad, inhibiendo el crecimiento de L. sativa incluso a bajas concentraciones del extracto. Esto indicaría que estos bio-carbones no podrían ser utilizados como potenciales enmiendas de suelo.Por otro lado, se evaluó la capacidad de bio-carbones de Sp para adsorber moléculas de interés. Para los experimentos realizados con ácido láctico (AL), se obtuvieron valores de adsorción de tres órdenes de magnitud superiores a los reportados para otros materialescarbonosos y para resinas de intercambio. En cuanto a Albúmina Sérica Bovina (BSA), se evaluó el bio-carbón de Sp sin tratar y previamente tratado con KOH para aumentar su porosidad. Para ambos casos, se obtuvieron valores de adsorción mayores que los informados en bibliografía para materiales carbonosos obtenidos por tratamiento térmico de biomasa.Por último, se evaluó la purificación de AL proveniente de un caldo de fermentación bacteriana utilizando bio-carbones provenientes de la pirólisis de Sp. Se evaluaron bio-carbones sin ningún tratamiento, con tratamiento térmico a 350 y 400 °C y tratado con KOH. Se encontró que los bio-carbones tratados con KOH y tratados térmicamente a 350 °C, permitieron recuperar excelentes porcentajes de AL, con excelentes valores de eliminación de proteínas.

Today, algae are considered the type of biomass most likely to provide sufficient quantities of fuel without affecting the food supply. Several technologies have been developewith the aim of obtaining bio-fuels from algae. In the present work, the fast pyrolysis ofthree different types of algae is investigated Pithophora sp.(Ph), Arthrospira platensis -Spirulina(Sp) and Botryococcus braunii (Bb), with a focus on the quality and performanceof the liquid product as a possible bio-fuel. The characterization of the algae showed a highcontent of lipids fo rBb, higher levels of proteins fo rSpand similar amounts of proteins and carbohydrates forPh. A fixed bed reactor connected to a vacuum pump and nitrogen flow system was used in the pyrolysis experiments at 300, 400, 500 and 600◦C. At 500◦C, Bb produced the maximum amount of bio-liquid (60 % yield), while Spand Phprovided the highest amount at 600◦C, 40 % and 23 % yield, respectively.The analysis by Gas Chromatography coupled to Mass Spectrometry of the liquids derived from Ph, consisted mainly of oxygenated and nitrogen products, standing out 2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-methanol, also known as solketal; and the bio-liquid of Sppresented mainly nitrogen compounds, being 2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidone (TMP) the most rele-vant product.Bbshowed a high content of long chain compounds, mainly alcohols, carboxylic acids and unsaturated hydrocarbons. This result would indicate that Bbbio-liquid scan be used as raw material for bio-fuel production. The pyrolysis conditions of Bb were optimized, being possible to work with greater amounts of biomass and shorter reaction times. The application of catalysts in the fast pyrolysis of Bb was also evaluated, without obtaining encouraging results. The production capacity of bio-liquid from Bb was analyzed by extractions with solvents by conventional heating and assisted by microwaves, and it was found that fast pyrolysis offered better advantages as a bio-liquid production methodology.In the second part of the PhD Thesis, the possible applications of both bio-carbonsand bio-liquids obtained in fast pyrolysis were evaluated. In relation to the liquid fraction, the antifungal and antioxidant capacity of the bio-liquid obtained from the pyrolysis of Sp was evaluated, with lower activity values being found in comparison to bio-liquids derived from other types of biomass. About the applications of solid materials of pyrolytic origin, the phytotoxicity of water extracts of bio-carbons from the pyrolysis of Spon seeds of Lactuca sativawas evaluated. It was found that the bio-carbons of Sphave a high phytotoxicity, inhibiting the growth of L.sativa even at low concentrations of the extract. This would indicate that these bio-carbons could not be used as potential soil amendments.On the other hand, the capacity of bio-carbons of Sp to adsorb molecules of interest was evaluated. For the experiments carried out with lactic acid (AL), adsorption values of three orders of magnitude higher than those reported for other carbonaceous materials and for exchange resins were obtained. As for bovine serum albumin (BSA), the bio-carbon from untreated Spand previously treated with KOH was evaluated to increase its porosity. Forboth cases, higher adsorption values were obtained than those reported in the literature for carbonaceous materials obtained by thermal treatment of biomass. Finally, the purification of AL from a bacterial fermentation broth was evaluated usingbio-carbons from the pyrolysis of Sp. Bio-carbons were evaluated without any treatment, with thermal treatment at 350 and 400◦Cand treated with KOH. It was found that bio-carbons treated with KOH and heat treated at 350◦C, allowed recovering excellent percen-tages of AL, with excellent protein removal values.