Estudios sobre la utilización de biomasa algal como materia prima alternativa para la producción de bioetanol

Abstract

El continuo incremento demográfico, así como la industrialización, demandan grandes cantidades de energía. La bioenergía cumple un rol muy importante en la mitigación de la emisión de gases de efecto invernadero, así como en el reemplazo de los combustibles fósiles (Demirbas & Demirbas, 2010).Los biocombustibles líquidos, como el bioetanol y el biodiesel son importantes para el futuro debido a que reemplazan a los combustibles derivados del petróleo. El bioetanol deriva de recursos naturales renovables, típicamente de plantas como el trigo, remolacha azucarera, maíz, residuos lignocelulósicos y madera (Demirbas, 2009). El biodiesel es obtenido de plantas oleaginosas tales como la soja o colza (Rulli et al., 2016).El uso de cultivos agrícolas como materia prima para la producción de biocombustibles plantea serias dudas sobre su sustentabilidad debido a sus posibles efectos en la seguridad alimentaria y los problemas ambientales relacionados con el cambio en el uso de la tierra, la huella hídrica y la gran dependencia de los fertilizantes sintéticos, entre otras preocupaciones (Tilman et al., 2002; Erisman et al., 2008; Gerbens-Leenes et al., 2009).Las microalgas y las cianobacterias se consideran una alternativa cada vez más prometedora a los cultivos convencionales (y residuos lignocelulósicos), como materia prima para la producción de biocombustibles y suplementos para la alimentación animal, debido principalmente a su mayor productividad fotosintética y a una composición bioquímica más favorable (ausencia de lignina), así como la posibilidad de cultivo en tierras no aptas para la agricultura, entre otras características. Un impedimento para la implementación a gran escala del cultivo de estos organismos es el requerimiento insostenible de fertilizantes N y P, así como también los altos costos asociados a la colecta de la biomasa. Hay un acuerdo generalizado en que la obtención únicamente de biocombustibles a partir de biomasa de microalgas no es rentable económicamente, por lo que se presume que la co-producción de productos de alto valor agregado en el marco de una biorrefinería, incrementaría la rentabilidad de producir aceites o azúcares a partir de microalgas, con un mínimo de residuos y emisiones (Demirbas, 2009).En esta tesis proporcionamos una prueba de concepto para una plataforma de ciclo semi-cerrado de producción de algas y la biorrefinería de la biomasa obtenida, para la producción de etanol y biodiesel a expensas del CO2 y N2 atmosféricos, y del P de harina de huesos. Esta plataforma brinda conceptos de economía circular en el campo de la biorrefinería de biomasa de microalgas. En esta plataforma, el N2 se asimila en la biomasa de una cianobacteria fijadora de N2 (Nostoc sp. cepa M2) que acumula niveles muy altos de biomasa (2 g peso seco.L-1) y proteína (60 % p/p). Esta cepa se seleccionó debido a su rápido crecimiento y a la característica decantación de sus células en períodos muy cortos de tiempo (15-30 min).La extracción acuosa de esta biomasa produjo un fertilizante orgánico, que sostuvo el crecimiento mixotrófico como única fuente de nutrientes, de una amplia diversidad de géneros de microalgas. Se demostró la completa sustitución de fertilizantes nitrogenados químicos mediante el proceso de fijación biológica del N2 con una conversión eficiente de biomasa de la cianobacteria fijadora de nitrógeno en biomasa de microalgas con alto contenido de aceites o azúcares fermentables. Asimismo, se demostró la posibilidad de obtener ficobiliproteínas de alto valor agregado a partir de estos extractos libres de células, de inocuidad aparente.Los rendimientos de producción de aceites de Chlorella sorokiniana (42 % lípidos p/p), en simulaciones en fotobiorreactores ambientales estuvieron en el rango de los rendimientos actuales obtenidos a expensas de fertilizantes sintéticos para microalgas cultivadas en piletas a cielo abierto (10.000-13.000 L-1.ha.año-1) y fueron 20 veces superiores al rendimiento reportado cuando se utilizan cultivos agronómicos (soja) como materia prima.A partir de la bioprospección de microalgas nativas de nuestra colección se seleccionaron 3 cepas con potencial biotecnológico (Desmodesmus sp. cepa FG, Chlorella sp. cepa MI y la cepa SP2-3) para la producción de etanol mediante la evaluación de su capacidad para acumular azúcares fermentables en condiciones de estrés nutricional. Se seleccionó a la microalga Desmodesmus sp. cepa FG debido a que presentó rendimientos muy altos (8 g peso seco.L-1), y un crecimiento robusto que acumuló altos niveles de carbohidratos (60 % p/p). La biomasa de algas se sacarificó y esta condición ácida se utilizó secundariamente para liberar fosfato soluble de diferentes fuentes de P renovables, incluida la harina de huesos. Después de aumentar el pH, la preparación resultante se fermentó con levaduras para producir etanol con valores aproximados al 90 % de su rendimiento teórico. Se pudo demostrar tanto una alta eficiencia de conversión de biomasa a etanol de 0,25 g·g biomasa-1 como una alta concentración de etanol en el caldo de fermentación de 24 g etanol.L hidrolizado-1; así como también se ha obtenido CO2 como una fuente puntual reutilizable a rendimientos cercanos al máximo teórico.La simulación de la productividad de la microalga a expensas del fertilizante orgánico a base de Nostoc en fotobiorreactores ambientales, que imitan las condiciones de estanques abiertos dio como resultado que con la eficiencia de conversión de biomasa a etanol demostrada en esta tesis, esta plataforma podría producir, bajo las condiciones ambientales del Sudeste de la provincia de Buenos Aires, entre 7.600 y 10.800 L de etanol.ha-1.año-1, dependiendo de si Nostoc se cultiva en estanques al aire libre o en fotobiorreactores tubulares, respectivamente. Los rendimientos de producción de etanol fueron 2-3 o 5-7 veces superiores al rendimiento reportado cuando se utilizan como materia prima granos de maíz o residuos lignocelulósicos (Karlen et al., 2011; Pimentel & Patzek, 2005).La vinaza de fermentación resultante, suplementada con P, se recicló eficientemente como única fuente de macronutrientes para el cultivo de la biomasa de la cianobacteria fijadora de N2 para cerrar un ciclo de producción.También se muestra el reciclado de agua y la co-producción de biomasa residual como posible suplemento nutricional para producción animal y yeso, que puede utilizarse como material para la construcción o como una enmienda para suelos.La plataforma de ciclo semi-cerrado de producción de biomasa algal a partir de materias primas económicas y renovables, el reciclado intensivo de nutrientes y la minimización de desechos, introducen conceptos de economía circular a la biotecnología algal. Se espera que diseños de este tipo contribuyan a la seguridad alimentaria y energética a largo plazo.