Aplicaciones de La Biotecnologia en La Produccion de Energias Limpias 1.

 

2018 I

UNIVERSID D N CION L PEDRO RUÍZ G LLO

 

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARÍAS 

scuela Profesional de Ingeniería Química Química   

INTEGRANTES:  Carranza Luliquis Merlita    Fuentes Mauro Eliana Lucia

  Lozano Herrera No se encuentran entradas de índice.    Samillan Flores

Kevin lexis

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGIA EN

LA OBTENCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS” 

Elaborado por:  Carranza Luliquis Merlita Fuentes Mauro Eliana Lozano Herrera Kevin Samillan Flores Alexis

Docente: Ing. Ada Patricia Barturén

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DEDICATORIA

Este presente trabajo está dedicado primeramente a Dios, a nuestros queridos padres, por  brindarnos su apoyo incondicional día a día y al docente por educarnos con esfuerzo y entusiasmo, para lograr nuestros ob objetivos jetivos y agradecerle por su dedicación.

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Contenido

RESUMEN ......................................................................................................................... 6 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ ............................................................................................................... 7

1.  DEFINICIÓN DÉ CONCEPTOS .............................................................. ......................................................................... ........... 8 1.1.  La Biotecnología ........................................................................................................ ........................................................................................................ 8 1.2.  Energías limpias o ren renovables ovables ................................................................................. ................................................................................. 9 2.  APLICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS. ......................................................................................... 9 2.1.  BIOCOMBUSTIBLES……………………………………………………………………………10 11 2.1.1.  Biocombustible de primera generación ...........................................................11

2.1.2.  Biocombustibles de segunda generación..........................................................11 2.1.3.  Biocombustibles de tercera generación ...........................................................11 2.2.  PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS A PARTIR DE RESIDUOS AGRICOLAS. ....................................................................................................................11 2.2.1.  EL BIOETANOL ................................................................... .............................................................................................. ........................... 11 11 2.2.2.  BIODIESEL ....................................................................................................... ....................................................................................................... 12 2.2.3.  BIOGAS ............................................................................................................. .............................................................................................................13 2.3.  PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS A PARTIR DE BIOMASA DE MICROALGAS ......................................................................................................... ......................................................................................................... 13 2.3.1.  Microalgas. ..........................................................................................................15

2.3.2.  Cultivo y procesado de microalgas .....................................................................16 2.3.2.  Producción de Biodiesel ..................................................................................... ..................................................................................... 19 4

 

2.4.  PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS A PARTIR DE RESIDUOS …………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… …………………………………20 URBANOS………………………………

21  3.  CONCLUSIONES  ................................................................................................ 21 

4. DISCUSIÓN……………………………… ………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………………21 ……21  5.  REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................ ............................................................... 22 ANEXOS ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 23

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RESUMEN 

La finalidad de este trabajo es conocer la aplicación que tiene la biotecnología en la  producción de energías limpias donde se detallaran cada proceso que se ha realizado para obtener energías limpias. En la actualidad, las condiciones del sector Energético mundial están cambiando debido al aumento global del consumo energético y a la acumulación de gases de invernadero, que tienen un impacto social y ambiental, originando políticas y programas energéticos para el desarrollo y la implantación de “energías limpias” o energías renovables. En este contexto, la

aplicación de la Biotecnología al sector Energético juega un papel fundamental ya que se relaciona con la producción de biocombustibles, como una más de las alternativas para generar energía con un menor impacto i mpacto ambiental y promoviendo un desarrollo sostenible. En primer lugar se presentan los conceptos básicos generales que se requieren para poder abordar información más técnica, tales como la definición de ene energías rgías limpias, tipos de  biotecnología, etc. Enseguida se realizó la descripción de de las aplicaciones de la biotecnología en la producción producción de energías limpias, describiendo a detalle cada proceso desarrollado para obtener este tipo de energía, como en la obtención de biocombustibles a partir de biomasa y también de algas, así como también utilizando residuos industriales para la producción de energías renovables. Finalmente se presentan las conclusiones a las que se llego una vez finalizado el trabajo.

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INTRODUCCIÓN

La energía eléctrica tiene una gran importancia en el desarrollo de la sociedad, su uso hace  posible la automatización de la producción que aumenta la productividad y mejora las condiciones de vida del hombre. La verdadera importancia de estas energías es aprovechar correctamente sus recursos, ya que la energía es transformada para nuestros  beneficios y las más utilizadas son aquellas aquellas energías en las que llamamos llamamos ENERGIAS PUR PURAS. AS. La dependencia de los combustibles fósiles, y el cambio climático, son dos de los retos medioambientales más importantes de este siglo. Tratar de contar con energías más limpias y sostenibles es un desafío que la biotecnología afronta desde hace años. Los biocombustibles , que contienen componentes derivados de la biomasa, ayudan a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Otro de las aplicaciones de biotecno biotecnología logía para obtener energías limpias es utilizando algas, aasí sí como también utilizando residuos industriales. En esta disertación se abordará la temática de la biotecnología aplicada a la generación de energías alternativas, con el marco conceptual mencionando los conceptos básicos que  permitirán entender la importancia de la biotecnología en los procesos de obtención de energía, resaltando las cualidades que que debe tener cada materia utilizada para tener éxito en cada uno de los procesos.

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1.  DEFINICIÓN DÉ CONCEPTOS 1.1. La Biotecnología Se puede deducir que la extensión del concepto de Biotecnología y sus variadas aplicaciones a diversos sectores de actividad han dado lugar a varias clasificaciones internacionales, de forma a  poder simplificar este concepto. Una de las más simplificadas, aunque no del todo aceptada, fue desarrollada durante el Congreso Europeo de Biotecnología en 2005 y engloba a la  biotecnología en cuatro áreas principales, dependiendo dependiendo de su sector de aplicación: aplicación:  

Biotecnología Roja.

Que abarca las aplicaciones relativas a la Salud. Esta área incluye la utilización de procesos relacionados con la medicina y la farmacología y basados en la manipulación genética de organismos. Antibióticos, técnicas de diagnóstico, vacunas, terapia génica, testes genéticos, farmacogenómica y células estaminales son, entre otros, ejemplos de las aplicaciones de esta área.  

Biotecnología Verde.

Que incluye las aplicaciones agrícolas, ganaderas y forestales. Las tecnologías de esta área  permiten utilizar organismos y células vegetales para producir o transformar alimentos,  biomateriales y energía, con el fin de mejorar la competitividad de los sectores Agrícola, Forestal y Alimentario. Las aplicaciones biotecnológicas de esta área incluyen métodos de mejora de variedades vegetales a través de la micropropagación, selección con marcadores moleculares o utilización de tecnologías de ADN recombinante.  

Biotecnología Blanca.

Que se refiere a las aplicaciones industriales y ambientales. Incluye los procesos industriales que utilizan enzimas y organismos para procesar y producir químicos, materiales (biomateriales) y energía (biocombustibles). Esta área incluye también la biorremediación a través de microorganismos que retiran productos tóxicos del medio ambiente, por ejemplo, para el tratamiento de aguas residuales o en la lucha contra las mareas negras.  

Biotecnología Azul

Que se dedica a las aplicaciones con origen en organismos acuáticos. Esta área engloba la aplicación de métodos moleculares con base en organismos marinos y de agua dulce, o en sus tejidos, células o componentes celulares.

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igura ura 1. Clasificación de la biotecnología.  F ig

1.2. Energías Energías limpias o renovables renovables Como energía alternativa, o mejor, como fuentes de energía alternativa, se conoce a aquellas fuentes que pueden remplazar las fuentes actuales masivas como las l as de origen fósil, por otras de carácter renovable, de bajo impacto ambiental nocivo y económicamente viable.  Así las cosas, se podría hablar de la microbiotecnología como parte de la biotecnología en donde se emplean microorganismos nativos y/o recombinantes (obtenidos de manipulación genética) con un fin específico, que bien podría ser la generación de fuentes de energía alternativas como los biocombustibles.

2.  APLICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS. La aplicación de la Biotecnología al sector de la Energías limpias se relaciona con la producción de biocombustibles (biomasa y cultivos energéticos, biogás y biocarburantes), para la  producción de calor y electricidad. Los biocombustibles se encuadran dentro de las llamadas energías renovables. La Biotecnología aplicada al sector de la Energías limpias, se utiliza para la producción de  biocombustibles de primera (biodiesel, bioetanol, ETBE y biogás) y segunda generación (hidrógeno, BioDME, BTL, Etanol Celulósico, Butanol).

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2.1. BIOCOMBUSTIBLES. Son combustibles generados generados a partir de material biológico, por lo cual son rrenovables, enovables, esto debido a que su producción es más rápida que los combustibles fósiles Los biocombustibles, que contienen componentes derivados de la biomasa, ayudan a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. i nvernadero. La biomasa usada para producir biocombustibles puede derivar de organismos recientemente vivos o de sus desechos metabólicos. Normalmente se utiliza materia vegetal, ya que absorbe carbono a medida que las plantas van creciendo, y emiten prácticamente la misma cantidad de dióxido de carbono cuando se consume, ofreciendo un balance medioambiental positivo.

F igura 2. Generación de Biomasa. 

Dependiendo de la fuente de donde se obtenga la materia prima para producir  biocombustibles, estos se clasifican en diferentes generaciones: generaciones:

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2.1.1.  Biocombustible de primera generación Son los que están basados en cultivos destinados destinados a la alimentación. Por ejemplo la caña de azúcar para la producción de bioetanol o las semillas de girasol para generar biodiesel.

2.1.2.  Biocombustibles de segunda generación Son los que se elaboran a partir de desechos orgánicos ricos en celulosa, por ejemplo los tallos del maíz, aserrín o hierbas.

2.1.3.  Biocombustibles de tercera generación Son los que están basados en cultivos específicos, por ejemplo los que utilizan plantas transgénicas o micro algas para para producir biodiesel. Las microalgas más utilizadas para producir  biodiesel pertenecen a los géneros Chlorella, Chlorella, Dunaliella y Nannochloris.

Los principales biocombustibles generados a nivel mundial son tres, el bioetanol, biodiesel y el biogás:

2.2. PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS

A PARTIR DE RESIDUOS

AGRICOLAS

2.2.1.  EL BIOETANOL También llamado etanol de biomasa, por fermentación alcohólica de azúcares de diversas  plantas como la caña de azúcar, rremolacha emolacha o cereales. En 2006, Estados Unidos fue el principal  productor de bioetanol. La producción de etanol se basa en la acción fermentativa de las levaduras sobre un sustrato adecuado. Se emplea la biotecnología para obtener microorganismos más productivos y tolerantes al etanol, o capaces de fermentar diferentes materias primas.

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F igura ig ura 3. Producción de Bioetanol.

2.2.2.  BIODIESEL

El biodiesel es un biocarburante líquido obtenido a partir de aceites vegetales, resultante de  productos agrícolas, como el girasol, soja, colza, c olza, palma, entre otros, con gran cantidad de aceite y

que

son

utilizados

como

sustitutos

del

gasóleo.

Para producir el biodiesel, el aceite se extrae de la semilla cultivada; posteriormente es refinado y sometido a la transesterificación, (se combina el aceite con un alcohol ligero, normalmente metanol). Como subproducto de la reacción química se genera la glicerina, que se emplea como materia

prima

de

diferentes

industrias,

como

la

cosmética.

El biodiesel puede usarse en su forma pura (100% biodiesel) o mezclado en cualquier  proporción con diesel regular para su uso en motores de ignición a compresión. El principal  productor de biodiesel en el mundo mundo es Alemania.

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F igura ig ura 4. Producción de biodiesel.

2.2.3.  BIOGAS Se desarrolla sobre residuos rurales, agroindustriales, domésticos, municipales y sobre plantas. Una vez finalizado el proceso de biodigestión tiene diversos usos. El biogás es un combustible gaseoso que es obtenido a partir de la descomposición de material orgánico, principalmente de desechos agroalimentarios o residuos animales. Se produce metano y dióxido de carbono, los cuales son utilizados en generadores de energía eléctrica o como sustituto del gas.

2.3. PRODUCCIÓN DE ENERGIAS LIMPIAS

A PARTIR DE BIOMASA DE

MICROALGAS La utilización de microalgas para la producción de biocombustibles es un tema de gran actualidad científica, en el que residen muchas expectativas para la producción a gran escala de  biocombustibles que supongan una alternativa real a los combustibles fósiles. Existen 13

 

numerosas investigaciones sobre la conversión a biogás de las microalgas, sin embargo aún hay  poco conocimiento sobre la utilización de la digestión como tratamiento de residuos de microalgas en un concepto de biorefineria. Residuos que pueden ser generados tras la extracción de compuestos de alto valor añadido (por ejemplo aminoácidos) o tras la generación de otro  biocombustible (por ejemplo biodiesel). biodiesel).

F ig igura ura 5.  Procesos de co conversión nversión de las microalgas a biocombu biocombustibles stibles

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2.3.1.  Microalgas Las microalgas son organismos unicelulares que presentan capacidad para realizar la fotosíntesis y se pueden encontrar tanto en colonias como en células independientes. Se trata de un grupo muy diverso de microorganismos capaces de colonizar prácticamente cualquier hábitat, en los que generalmente se incluyen tanto organismos eucariotas como procariotas. Existen tres principales clases de microorganismos que utilizan la energía de la luz: a) Las cianobacterias, que presentan fotosintes isoxigénica, en la cual se produce O2 y presentan fotosistemas I y II y fijan el CO2.  b) Eubacterias fotosintéticas, que realizan fotosíntesis anaerobia, no producen O2 y solo  presentan el fotosistema I.I. y c) Halobacterias, no presentan clorofila ni transporte fotosintético de electrones. Poseen una  bomba de protones dependiente de la luz, la cual produce energía pero no poder reductor. Requiere de una fuente orgánica de carbono. Diversas especies crecen con fuentes orgánicas de carbono y en ausencia de una fuente lumínica, estas condiciones son propias de cultivos heterótrofos. A pesar de que se han reportado altas productividades de biomasa y contenido lipídico en la estructura celular, los sistemas heterótrofos son susceptibles a contaminación, promueven la insaturación de los ácidos grasos sintetizados y los costos de las fuentes orgánicas de carbono tienden a complicar la factibilidad de escalamiento del proceso a nivel industrial. Por otro lado, existen microalgas con metabolismo autótrofo, las cuales requieren únicamente compuestos inorgánicos como CO2, sales, agua y una fuente de energía lumínica para su crecimiento. Otras microalgas pueden ser mixótrofas, es decir, presentan la habilidad de realizar fotosíntesis y adquirir nutrientes orgánicos exógenos. la clasificación de microalgas se realiza en cuatro grupos debido a su abundancia: diatomeas, algas verdes, algas verde-azules y algas doradas. Esta diversidad muestra un gran potencial de explotación de éstos microorganismos para la producción de productos de alto valor agregado y  biocombustibles

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F igura ig ura 6. Tipos de algas.

2.3.2.  Cultivo y procesado de microalgas

La biotecnología de microorganismos fotosintéticos ha progresado a un ritmo relativamente lento, no obstante a su utilidad como fuente de compuestos de alto valor agregado. Un factor limitante en dicho progreso ha sido la poca eficiencia de técnicas de cultivo a gran escala. Sus requerimientos han llevado a poner énfasis en el desarrollo de fotobiorreactores, en los que aún existen muchos problemas de ingeniería que necesitan ser resueltos para poder desarrollar sistemas eficientes, a gran escala y de bajo costo. El gran auge que está viviendo la tecnología del cultivo de microalgas hace que cada vez sea más importante el estudio de los sistemas de producción a gran escala de forma que se pueda optimizar el tamaño o volumen de los fotobiorreactores. Existen diferentes sistemas de producción o cultivo de microalgas, que van desde sistemas abiertos extensivos a sistemas cerrados como los fotobiorreactores donde se pretende mantener una determinada especie de microalga aislada con la mayor productividad posible. Existen dos tipos de sistemas de producción: Sistemas Abiertos y Sistemas Cerrados, en los cuales se  practica el crecimiento foto autótrofo, es decir, aprovechando aprovechando la luz solar. 16

 

Sistemas Abiertos Dentro de los sistemas abiertos podemos encontrar sistemas extensivos y sistemas de cultivos intensivos. Los sistemas abiertos extensivos son lagunas en las que el crecimiento de las microalgas se desarrolla de forma natural. El principal objetivo de estas lagunas es no obtener una alta  productividad de biomasa, sino que la producción de bi biomasa omasa es algo secundario resultante del objetivo primario: el tratamiento de aguas residuales o contaminadas. Por lo tanto, no es necesaria la adicion de nutrientes, ya que las microalgas las obtendrán de las aguas residuales donde crecen y a las que a su vez depuran. La productividad de biomasa es baja, sin embargo, también lo son los costes operacionales. Lógicamente, en este tipo de sistemas coexisten tanto microalgas como bacterias, por lo que no está indicado para la obtención de compuestos de alto valor añadido producidos a partir de una determinada especie de microalga, pero resulta adecuado para los biocombustibles que deben producirse en un gran volumen, como el biodiesel bi odiesel o el biogás.

F igura ig ura 7. Sistema abierto extensivo

Sistemas cerrados Los sistemas cerrados son los conocidos como fotobiorreactores (PBR). Los PBR se han desarrollado como consecuencia de las desventajas que presentan los sistemas abiertos de  producción. Además, se obtiene una biomasa más concentrada, lo que puede derivar en menores costes en la fase de cosechado. Los PBR pueden tener diferentes formas. Los tubulares,  planos o en columna son las formas clásicas. 17

 

F igura ig ura 9. Fotobiorreactores (PBR) tubulares.

F igura ig ura 10 10..  Los PBR de superficie plana.

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2.3.3.  Producción de Biodiesel El proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas, se inicia con el cultivo de la cepa  para la obtención de biomasa con una alta productividad de lípidos, seguido de la separación de la biomasa del medio de cultivo y posterior extracción de los lípidos para finalmente obtener el  biodiesel por una reacción de transesterificación, de forma similar a como se produce a partir de cualquier aceite vegetal.

F i gura 11 11.. Producción de biodiesel

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2.4.PRODUCCIÓN ENERGIAS LIMPIAS LIMPIAS A PARTIR DE RESIDUOS RESIDUOS 2.4.PRODUCCIÓN DE ENERGIAS URBANOS. La biotecnología puede utilizarse para obtener energía de los residuos urbanos. Uno de los componentes mayoritarios de los residuos sólidos urbanos es la fracción de materia orgánica. Esta fracción orgánica es fácilmente biodegradable. Mediante un proceso de digestión anaerobia las baterías pueden degradar la materia orgánica para transformarla en biogás (mezcla de metano y CO2). El biogás es una fuente renovable de energía que puede convertirse en energía calorífica y energía eléctrica utilizando la tecnología adecuada. El poder calorífico del biogás es semejante al de otros combustibles convencionales, como, por ejemplo, el gas ciudad. La metanización de la FMO (fracción de materia orgánica) recogida selectivamente ya se está llevando a cabo en algunas grandes ciudades.

GAS METANO Diversas compañías hoy en día convierten la comida y otros desechos orgánicos provenientes de hoteles, cocinas y fábricas de alimentos, en energía limpia y en composta. Utiliza un proceso  biológico para producir metano, en el que las bacterias disuelven los restos orgánicos y los transforman en composta y gas metano. El gas es capturado y utilizado en motores de gas que generan electricidad. Es la primera en Singapur y la más grande de su tipo en Asia. La planta tiene una capacidad para procesar más de ochocientas toneladas de desechos orgánicos por día y es capaz de generar suficiente electricidad para su propio funcionamiento y otras diez mil instalaciones industriales más.

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3.  CONCLUSIONES   Un área de gran relevancia y rápido desarrollo de la biotecnología es la producción de



energía a partir de recursos renovables (biomasa) para generar fuentes de energías limpias, base de un desarrollo sustentable.   Las algas como materia prima para la producción de biocombustibles, se perfilan como



la fuente más adecuada debido a su rápido crecimiento, alto contenido de aceite o alta  productividad (mayor que las plantas), una importante reducción de emisiones reguladas como TPH, CO y material particulado, capacidad de fijar CO2, menores requerimientos de condiciones de cultivo y nutrientes, no compite por suelos ni con alimentos.  alimentos. 

4.  DISCUSIÓN

La biotecnología es muy importante en la producción de energías limpias, pero para utilizarla de una mejor manera tendríamos que invertir y eso es lo que no se hace hoy en día.   En realidad las desventajas de las energías limpias no tienen que ver con sus características, ni sus posibilidades, ni sus niveles de contaminación. La principal desventaja de las energías limpias es su escasa implantación. Desde los albores de la Revolución Industrial y al progreso se ha optado por utilizar otro tipo de recursos fósiles y se han dejado de lado otras soluciones mucho más sostenibles. Así que el principal escollo que tienen que superar las energías limpias es su propia implantación, el desarrollo de las suficientes infraestructuras y, por supuesto, la concienciación de la población sobre la necesidad de apostar por las energías limpias.

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5.  REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Ramos Suarez, Juan L. (2014). “Producción de biogás a partir de biomasa de la microalga Scenedesmus sp. sp. procedente de diferentes procesos” (Tesis doctoral).

Universidad Politécnica de Madrid, España. Fernández-Lina Fernández-Linares, Luis C., Jorge., Millán-Oropeza Aarón y BadilloCorona res, Jesús A. Montiel-Montoya (Septiembre-Diciembre, 2012). PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS. Ra Ximhai, vol. 8, núm. 3b, pp. 101-115. PASCUAL, A. RUIZ, B. GÓMEZ, P. FLOTATS, X. FERNÁNDEZ, B. Situación potencial de generación de biogás - IDAE.pdf

Arias Peñaranda, M., Cañizares Villanueva, R., & Martínez Roldán, A. (2013). PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS: PARÁMETROS DEL CULTIVO QUE AFECTAN LA PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS. Acta Biológica Colombiana, 18(1), 43-68. Recuperado de https://revistas.unal.edu.co/index.php/actabiol/article/view/32832/40207 Muriana Vargas, Víctor Manuel. (2016).  Planta de producción de biodiesel a partir de microalgas. (Tesis de maestría). Universidad de Sevilla, España.

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ANEXOS

F ig igura ura 12 12.. Obtención general de Biom Biomasa. asa.

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LINKS DE VIDEOS QUE COMPLEMENTAN LA INFORMACIÓN: https://www.youtube.com/watch?v=l-Q-PWu7wy0 https://l.facebook.com/l.php?u=http%3A%2F%2Fwww.rev https://l.facebook.com/l.php?u=http%3A %2F%2Fwww.revistavirtualpro.com%2Fbiblioteca%2 istavirtualpro.com%2Fbiblioteca%2 Fenergia biomasa&h=AT2KEevI_9Zdv8TwHJvOhI  biomasa&h=AT2KEevI_9Z dv8TwHJvOhIlqcmpOylrrsjBP0Gwx6q lqcmpOylrrsjBP0Gwx6qxo0ARhCFk6K1hy xo0ARhCFk6K1hyBi7cTaI Bi7cTaI QsOoyNwVpyO_wlSmZhQbMlr4V QsOoyNwV pyO_wlSmZhQbMlr4VuxrYT-sS693oCfjKuxrYT-sS693oCfjK-6a36a393SHIK7PLi3v_4wAavOGZaIchNLyl7lGf4-8_IL

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