bio-asfalto

1.- ANTECEDENTES. 1.1.- Microalgas.

Las microalgas forman un grupo muy diverso de organismos unicelulares que al igual que las plantas, convierten la energía solar en energía química mediante la fotosíntesis. Forman la base de la cadena alimenticia a limenticia para más del 70% de la biomasa mundial, y se consideran maquinarias fotosintéticas generadoras de pigmentos con una adaptación ecofisiológica y plasticidad bioquímica única; lo que les permite la bioconversión directa de la energía solar en compuestos químicos, bajo una variedad de condiciones medioambientales y a una velocidad mayor que cualquier otra fuente vegetal. Además de ser productoras primarias de los ambientes acuáticos, estos microorganismos fotosintéticos son útiles en aplicaciones de biorremediación, y como biofertilizantes fijadores de nitrógeno. También regulan el contenido de oxígeno y dióxido de carbono en la atmósfera, colaborando en el control del efecto invernadero, las lluvias ácidas y el adelgazamiento de la capa de ozono. Poseen un gran potencial como fuente de varios productos químicos tales como polisacáridos, lípidos y pigmentos que sirven de base a la industria química. Hoy es indiscutible la importancia económica de las microalgas, que a diferencia de las plantas superiores, contienen relativamente pequeñas cantidades de material estructural y muchos de los componentes celulares son de reconocido valor económico en la industria de la construcción de carreteras. 1.2.- Propiedades de las microalgas.

Como valor promedio la biomasa está constituida por 20-30% de lípidos, 40-50% de proteínas y el resto se divide entre carbohidratos, que en algunas especies pueden llegar hasta el 55% de la biomasa, y otros compuestos. Constituyen una de las alternativas más atractivas entre los microorganismos por varias razones: 1. En comparación a la mayoría de las bacterias y el total de los hongos y levaduras, las microalgas por su capacidad fotosintética pueden alcanzar grandes rendimientos solo con energía solar y una fuente de carbono como el CO2 o bicarbonatos, además de nutrientes de fácil disponibilidad. 2. Algunas especies están también en condición de crecer sobre sustrato orgánico, en presencia o ausencia de luz. La capacidad de estos microorganismos de poder crecer en ambientes diferentes y adversos a muchos otros organismos vegetales, es debido a la variedad excepcional de lípidos y de otros compuestos inusuales, que pueden sintetizar. 3. Entre los distintos grupos de organismos fotosintéticos, las microalgas son uno de los más eficientes en utilizar la energía solar. Por lo general, las plantas superiores presentan una eficiencia fotosintética alrededor del 2% o menor. Las microalgas, gracias a su simplicidad estructural tienen una eficacia fotosintética claramente superior y según las condiciones ambientales y de cultivo, pueden alcanzar hasta 4-8%. Así por ejemplo, se tienen estimaciones de productividades tan altas como 60-80 Tn/ha·año de peso seco; en contraste con cultivos convencionales que producen del orden de 10-30 Tn/Ha·año. Esta característica las hace extremadamente productivas.

4. Las microalgas son convertidores mucho más eficientes de la energía solar que cualquier planta terrestre conocida, porque crecen en la suspensión donde tienen el acceso ilimitado al agua y acceso más eficiente al CO2 y a los nutrientes. 5. En general, los cultivos a gran escala son más simples y baratos. 6. Las microalgas pueden ser cultivadas todo el año, y cosechadas continuamente. 7. Pueden crecer en tierras marginales en las regiones áridas del mundo, en ambientes salinos e hipersalinos de baja calidad o en aguas residuales cargadas de nutrientes, que no son buenas para la irrigación agrícola o el consumo para los seres humanos o los animales, de modo que los cultivos de esa manera no compiten con la agricultura tradicional por cantidad o calidad de suelos. 8. Los cultivos de microalgas también tienen un consumo de agua más baja que la requerida por los cultivos tradicionales. Si se considera que el agua usada se puede reutilizar para la irrigación, los cultivos de microalgas son aún más ventajosos. Además la capacidad de crecer en un medio fluido, facilita la operación de los sistemas de producción y la manipulación de las condiciones de cultivo. 9. Las microalgas crecen al igual que las bacterias, es decir, de manera exponencial. Es un crecimiento muy rápido, ningún vegetal terrestre da un crecimiento de ese tipo. Las plantas necesitan un tiempo más prolongado. 10. Por ser organismos unicelulares, su biomasa entera posee los productos de interés, a diferencia de las plantas superiores en las que los productos recuperables se encuentran en sitios u órganos específicos, lo que dificulta su extracción. 11. Otra ventaja que tienen las microalgas es que su cultivo no requiere el uso de los pesticidas y herbicidas que deben usarse con los vegetales terrestres para alejar plagas. 1.3.- Producción de bioasfalto a base de microalgas

 Actualmente, los elevados precios mundiales del asfalto a base de combustibles fósiles sumados a la creciente preocupación por el cambio climático y la seguridad energética están impulsando el interés por producir nuevos tipos de asfaltos más baratos y ecológicos, como es el caso de los bioasfaltos. Y entre las opciones más prometedoras se encuentran las microalgas como fuente de producción de nuevos asfaltos. Se ha demostrado que la biomasa de las microalgas puede proporcionar diversos productos ricos en energía y productos químicos semejantes al betún. Éstos incluyen metano producido por la digestión anaeróbica de la biomasa, biodiesel derivado de aceite microalgal, y biohidrógeno producido fotobiológicamente. En las últimas décadas se ha destacado que las microalgas representan una alternativa más conveniente que cualquier otro tipo de organismo para la producción de triacilglicéridos y su conversión a biodiesel y derivados químicos para uso asfaltico, ya que algunas especies oleaginosas, siendo organismos fotosintéticos, sólo requieren energía solar, agua, CO2 y algunas sales para producir muy altos rendimientos de biomasa rica en lípidos (Li et al. 2008a). De hecho, son los organismos fotosintéticos más eficientes, absorben más CO2 y liberan más O2 que cualquier planta, crecen extremadamente rápido y llegan a acumular grandes cantidades de diversos productos.

 Algunas microalgas doblan su biomasa en 24 h y el tiempo de duplicación de biomasa durante la fase exponencial puede ser tan corto como 3.5 h (Chisti, 2007). De manera más específica, los beneficios que se obtienen al usar microalgas para la producción de biodiesel son: a) Las microalgas 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. b) Requiere de 1.5 a 3.2 millones de hectáreas (M has) para satisfacer el 50% de las demandas de energéticos de transporte en U.S.A. (Chisti, 2007). En contraste, la soya, principal fuente de biodiesel en U.S.A. requiere de 330 a 450 M has para un propósito similar. En México, se ha estimado que sólo se requiere el 1% de la superficie total del país, para cubrir el 100% de la demanda actual de diésel de petróleo (Garibay et al., 2009). c) Con biodiesel de microalgas cultivadas en lagunas abiertas (LA), sólo se requieren 200,000 has para producir 1 cuadrilón de BTU (Sheehan et al., 1998). En contraste, se requieren aproximadamente 40 millones de has si se utiliza etanol derivado de maíz o 20 millones de has si se utiliza biodiesel derivado de frijol de soya. d) Las microalgas oleaginosas pueden ser cultivadas en agua de mar o en agua salobre, disminuyendo así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimento.  Algunas otras especies aisladas de agua dulce, pueden crecer en aguas residuales, también eliminando la competencia por el uso de agua para la agricultura. e) Las microalgas son excelentes captadoras de CO2. Por cada 100 ton de microalgas producidas, se consumen 183 ton de CO2 (Chisti, 2007). f) Con relación a la emisión de gases invernadero, es de los pocos bioenergéticos con un valor negativo. Es decir, no se produce CO2 durante el ciclo de vida de producción y el valor de este parámetro para microalgas (-183 kgCO2/MJ) es el más negativo respecto a los otros bioenergéticos con valores negativos (etanol a partir de pastos o de residuos celulósicos). En contraste, el diésel a partir de fuentes fósiles produce 83 kgCO2/MJ y el etanol a partir de maíz produce 81-85 kgCO2/MJ (Chisti, 2007). 1.5.- Necesidades de localización Tasas de irradiación y temperatura:

Una ubicación adecuada debe ser aquella que permita mantener producciones máximas de las cepas seleccionadas, durante todos los días del año. Idealmente las plantas de producción no deberían pararse nunca por influencia de luz, ni por excesos o carencias de temperatura. Es importante tener en cuenta que para ceñirse a los costes de producción de biomasa que se consideran competitivos, el sistema debería operar permanentemente a valores óptimos de densidad, producción y monoespecificidad. El siguiente mapa indica las zonas con mayor tasa anual de irradiación, y por lo tanto las más propicias para el cultivo de microalgas. Las zonas marcadas en rojo reciben una radiación directa de

2500-3000 kWh/m2año, y las regiones en amarillo alrededor de 2000-2500 kWh/m2año Tipos de terreno:

I. Terrenos preferentemente no destinados a uso agrícola; II. Planos o en muy ligera pendiente; III. Preferentemente reflectantes, como suelos carbonatados o salinos, para multiplicar el efecto de la irradiación reflejada. Esto es utilizado en el caso de reactores tubulares, cuando se trata de raceways no se aprecia el efecto. Contaminación del terreno:

La ubicación escogida no debe tener contaminación por metales pesados ni radioactividad y debe buscarse la ausencia total de sulfatos de cobre (u otras sales de cobre) en aguas y terrenos. Aunque algunos investigadores consideran que la contaminación por metales no tiene por qué ser excluyente, ya que la resistencia a ciertos tóxicos puede ser una herramienta para controlar la presencia de contaminaciones en los cultivos. En este sentido, las microalgas y cianobacterias han sido referenciadas como acumuladoras de metales pesados y por tanto pueden usarse para regenerar terrenos y/o aguas, sobre todo si el uso final de la biomasa es para obtener biodiesel. El control de contaminaciones es muy importante en la biotecnología de microalgas y ya que e s imposible esterilizar el medio de cultivo de las microalgas, es necesario desarrollas resistencias en éstas para que solo ellas, o al menos preferentemente ellas, puedan crecer en el ambiente de cultivo. Altitud del terreno:

En principio no sería ningún obstáculo, ya que la producción de microalgas puede llevarse a cabo tanto a nivel del mar como a cotas elevadas, siempre que haya un acceso garantizado de agua. La altitud puede aumentar la radiación así como reducir la temperatura, y siempre que estos efectos acerquen las condiciones de cultivo hacia el rango de condiciones óptimas de las especies en cultivo será un efecto positivo. Aporte de co2:

Es necesario que en las cercanías de la planta de microalgas se disponga de gases de combustión, es decir, de focos de emisiones de CO2 provenientes de algún tipo de industria o central. Este requisito no solo es necesario, sino que además se aprovecha los beneficios derivados de la eliminación de este tipo de contaminante, y por tanto el beneficio económico y social que ello conlleva. Fertilizantes:

Es importante tratar los costes derivados de la utilización de fertilizantes, ya que estos implican consumo tanto de materia como de energía. Para ello existen las siguientes opciones: i. Emplear aguas residuales industriales y/o agrícolas con nutrientes disponibles (amonio, nitrato, fosfato,...) ii. Utilizar aguas procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Otros aspectos:

 Además de los factores medioambientales, es necesario tener en cuenta las variables socioeconómicas que también afectan al proceso, ya que una planta de producción de biomasa requiere contar con capital humano formado

tecnológicamente, así como centros de investigación privados y públicos, y empresas relacionadas con el sector. Así de importante son los accesos y las comunicaciones a nivel ferrovial, marítimo y por carretera.

1.4.- Producción de bioasfalto. Con el aumento del consumo de combustible, las reservas de petróleo a nivel mundial disminuyen, y su precio crece, lo que aumenta la presión por el uso de productos sostenibles; el asfalto es el aglutinante más tradicional en capas de caminos, las capas asfálticas son fáciles de construir, mantener o reparar. Trae bajas emisiones de ruido y mayor confort que el hormigón de cemento Portland; los nuevos productos están siendo desarrollados a partir de fuentes renovables. Desarrollos recientes muestran que es posible producir ligantes de esta manera.  Algunas empresas ya están comercializando estos producto: Ecopave (1980), Colas (2004), Shell (2007), Eiffage (2002), Nynas (> 2000), Cargill (2012). Hasta ahora, el bioasfalto, desarrollado incorpora aceites agrícolas, o de la industria del papel, mezclados con resinas para mejorar sus propiedades viscoelásticas. El uso de micro algas, cuyo cultivo no requiere la movilización de tierras cultivables, es una solución muy atractiva. Para la obtención del bioasfalto a base de micoralgas es necesario someter a las microalgas a un proceso denominado licuefacción hidrotérmica (HTL), utilizando el agua subcritica como fuerza motriz química para la transformación de esos residuos en una sustancia viscosa negra e hidrofóbica (repelente al agua), que se asemeja mucho al asfalto derivado del petróleo. El proceso logra una eficiencia del 55% según informaciones del CNRS.  Aunque la composición química del bio-asfalto es completamente diferente al derivado del petróleo, ambos tienen similitudes, como su color negro y sus propiedades. A una temperatura superior a los 100ºC, el bioasfalto puede usarse para recubrir agregados de minerales. Entre -20ºC y 60ºC mantiene su viscoelasticidad por lo que asegura la cohesión de la estructura granular de los agregados, al tiempo que soporta sus esfuerzos mecánicos. En la actualidad se están llevando a cabo estudios relativos al comportamiento del bioasfalto a lo largo del tiempo, así como estudios de rentabilidad para su producción a gran escala. Se espera, según los investigadores, que el primer desarrollo industrial pueda tener lugar dentro de 5 a 10 años.  A la espera que se finalicen con éxito estos estudios, se puede asegurar que el empleo de este bio-material, mucho más sostenible que su homólogo dependiente del petróleo, supondrá una gran innovación en la construcción de carreteras Planteamiento del problema Dada la situación actual en la industria del petróleo y los altos contenidos de contaminantes que genera la producción de asfaltos y de los mismos materiales pétreos que se utilizan en la industria de las carreteras, es necesario tomar medidas para poder sustituir estos materiales con materiales cada vez menos contaminantes y que sean más económicos. El asfalto utilizado actualmente en la industria de la construcción se basa en un derivado del petróleo el cual se obtiene de la última destilación del mismo; para la

obtención del asfalto se desperdicia grandes cantidades de energía en su producción y se genera una gran cantidad de contaminantes que son liberados a la atmosfera terrestre contaminando el aire. El problema actual en la producción de los asfaltos, se da principalmente en los precios del petróleo que en años venideros, dado que es un recurso no renovable, los precios irán a la alza haciendo cada vez más cara la producción de un asfalto y la construcción de carreteras será cada vez más caro. Dado la problemática actual es necesario recurrir a la producción de un sustituto del asfalto que tenga las mismas características físicas que el actual derivado del petróleo, y que sea capaz de cubrir con las necesidades que se requieren en la construcción de un vialidad y de igual manera sea más favorable para el ambiente, en este caso entran los bioasfaltos en donde específicamente investigaremos sobre las Microalgas como un sustituto del asfalto o betún.

Marco teórico:

Materiales asfalticos: Betunes Los betunes son todos aquellos materiales derivados de la ultima destilación del petróleo; son materiales aglomerantes solidos o semisólidos con un color que varía de negro a pardo oscuro los cuales se licuan gradualmente al calentarse. Los constituyentes predominantes en los asfaltos son betunes que se pueden dar en la naturaleza en forma sólida o semisólida; también se pueden obtener atravesó de la ultima destilación del petróleo. Son productos derivados del petróleo de aspecto oscuro y viscoso, con características aglomerantes y propiedades termoplásticas que lo hacen apropiado para la construcción de carreteras. También son conocidos como betunes de penetración ya que es el ensayo de penetración quien los caracteriza y clasifica. Los asfaltos son materiales compuestos por una mezcla de betunes e impurezas insolubles en sulfuro de carbono está en una proporción superior al 5%. Procedencia y obtención

Los betunes aptos para la construcción de carreteras pueden obtenerse de dos formas: Betunes naturales:

Estos betunes proceden de la descomposición de organismos marinos aflorando a la superficie en lagos de asfalto o impre gnados en las rocas. Un ejemplo es el del asfalto de Trinidad que se extrae de un lago de asfalto existente en la isla de trinidad el cual posee más de un 50% de betún natural y tiene excelentes propiedades plásticas resistentes e impermeabilizantes, excelentes para la construcción de carreteras. Betún obtenido de destilación de petróleo:

Se obtiene como subproductos del petróleo, una mezcla de hidrocarburos con impurezas. Según sea la naturaleza se obtendrá se conseguirán betunes más o menos aptos para su empleo en la construcción. La obtención de betunes asfalticos a partir de crudos del petróleo se realiza en las refinerías, empleándose diferentes técnicas y procesos industriales: Destilación: se basa en la separación de los diversos componentes del petróleo en base a su volatilidad. Oxidación: los betunes asfalticos se obtienen mediante un complicado proceso químico de oxidación a partir de los residuos más pesados de los propios crudos del petróleo que no poseía suficiente cantidad de compuestos asfalticos.

Cracking: consiste en romper físicamente los enlaces de grandes cadenas de hidrocarburos saturados, denominados polímeros, para obtener betunes. Naturaleza de los betunes

El betún se encuentra formado por una mezcla de hidrocarburos cíclicos saturados derivados de los cíclanos caracterizados por presentar una estructura anular con un elevado número de átomos de carbono. Su composición es el siguiente:

Elementos mayoritarios Carbono -----------------------80-88% Hidrogeno ----------------------9%12%

Elemento minoritarios Oxigeno-------------------------------0-5% Azufre----------------------------------0-3% Nitrógeno------------------------------0-2%

El betún es un sistema coloidal de tipo gel, cuya fase continua está constituida por un medio fluido aceitoso, mientras que la fase discontinua se halla compuesta por un micro emulsión de cuatro tipos de compuestos diferentes: Maltenos: son blandos ya que contienen la práctica totalidad de la parafina del betún confiriéndole a esta ductilidad y plasticidad y proporcionándole estabilidad a temperatura ambiente.  Asfáltenos: partículas negras y amorfas que por la acción del calor aumentan de volumen no se funden transformándose en cábenos y perdiendo sus propiedades aglomerantes. Son los compuestos más duros confiriendo al betún estabilidad, cuerpo y adhesividad también son los responsables de buena parte de sus propiedades reológicas. Carbonos: son cuerpos negros brillantes con una gran proporción de carbono. Proviene de la oxidación de los asfáltenos y resinas asfálticas. Un contenido de este tipo de elementos superior al 2% hace perder al betún sus propiedades dúctiles y adhesivas viviéndolo frágil e inútil. Coroides o resinas asfálticas: son elementos solidos de color rojizo u oscuro capaces de reblandecer a altas temperaturas. La composición típica de un betún asfaltico derivado del petróleo oscila entre un 55 y un 80% de maltenos, 19 a 44% de asfáltenos y menos del 1.5% de carbonos. Los betunes naturales contienen entre un 64 y un72% de maltenos un 35 a 27% de asfáltenos y un 0.5 a 1.5% de carbonos.

Propiedades

Todos los betunes presentan una serie de características físicas comunes, tales como su color oscuro la faculta de presentar una buena adhesividad con la superficie de los agregados pétreos o su inmisibilidad con el agua. Las propiedades más destacables de los betunes desde el punto de vista de la técnica de construcción de carreteras es el siguiente:  Adhesividad: facilidad que presenta el betún para adherirse a la superficie de una partícula mineral. Esta característica es muy importante en mezclas asfálticas, donde betún y áridos deben formar un conjunto homogéneo y continuo. Viscosidad: se define como la resistencia que oponen las partículas a separarse debido a los rozamientos internos que ocurren en el seno del fluido. En el caso de los betunes varia con la temperatura lo que da una idea de sus susceptibilidad térmica. Susceptibilidad térmica: indica la propensión que presenta el betún a variar ciertas propiedades reológicas con la temperatura. Gracias a esta propiedad pueden manejarse con facilidad a temperaturas altas. Plasticidad: define el comportamiento mecánico del betún ante diferentes estados físicos y temporales de carga. Un betún poco plástico no soportara deformaciones excesivas sin que se produzcan grietas o desconchamientos. Envejecimiento: fenómeno de degradación y transformación química de los componentes del betún debido a la acción oxidante del aire y la presencia de humedad y radiaciones solares haciendo que el betún pierda sus propiedades reológicas y adhesivas. En base en las propiedades, se puede establecer las características que debe cumplir un buen betún: Debe ser fluido durante su puesta en obra para que sea trabajable y penetre en profundidad, recubriendo la superficie de los áridos y dándoles adherencia. Por esos se calienta a altas temperaturas sin llegar a inflamarlo. Debe ser suficiente consistente y viscoso a temperaturas ambiente altas para que el firme sea poco deformable bajo la acción continua de las cargas de trafico sin que presente fenómenos de fluencia.  A bajas temperaturas debe presentar flexibilidad para que el pavimento no se vuelva frágil y quebradizo y trabaje de la forma como se ha ideado. La película de ligante debe tener un espesor suficiente para que el proceso de envejecimiento no le afecte demasiado.

Riesgos de la utilización de los asfaltos.

La mezcla de hidrocarburos del petróleo está compuesta en una proporción variable, compleja y no determinada de compuestos orgánicos de elevado peso molecular y una proporción relativamente grande de hidrocarburos con un número de carbonos en su mayor parte superior a C25 (betún) emulsionado en agua y en medio ácido. Las indicaciones de las Fichas de Datos de Seguridad tipo de los productos como componentes peligrosos, se encuentra la nafta (petróleo) o White sirito, fracción pesada hidrodesulfurada con un contenido de benceno < 0,1% (CAS nº 64742-821). Todo el producto en sí, teniendo en cuenta las proporciones de los productos que lo componen, está considerado básicamente como inflamable (R10), irritante (R38), nocivo y tóxico para los organismos acuáticos (R65 y 67), puede provocar a largo plazo efectos negativos para el medio ambiente acuático (R 51/53). Riesgos generales El manejo del asfalto caliente puede causar graves quemaduras, debido a que es pegajoso y no se quita fácilmente de la piel. La principal preocupación desde el punto de vista toxicológico industrial, es la irritación de la piel y de los ojos por los humos del asfalto caliente. Estos humos pueden causar dermatitis y lesiones parecidas al acné, así como queratosis ligera en caso de exposiciones repetidas y prolongadas. Los humos amarillo-verdosos desprendidos por el asfalto al hervir también pueden causar fotosensibilización y melanosis . Los efectos sobre el árbol traqueo bronquial y los pulmones aparecidos en los ratones al inhalar un aerosol de asfalto, así como al inhalar humo de asfalto calentado, dieron lugar a congestión, bronquitis, neumonía, dilatación bronquial, cierta infiltración en las células redondas peri bronquiales, formación de abscesos, pérdida ciliar, atrofia epitelial y necrosis. Dichos cambios patológicos fueron diferentes y algunos animales se mostraron relativamente refractarios al tratamiento, si bien se llegó a la conclusión de que estas alteraciones constituían un fenómeno general originado por respirar aire contaminado con hidrocarburos aromáticos, y que el grado de cambio depende de la dosis respirada. Los cobayas y las ratas que respiraron humos de asfalto calentado desarrollaron efectos como neumonías crónicas fibrosas con adenomatosis peri bronquial, y las ratas iniciaron un metaplasma celular escamoso, pero ninguno de los animales presentó lesiones malignas. Respecto a la carcinogenicidad en las personas no existen pruebas concluyentes, si bien se han observados repuntes de riesgo al cáncer respiratorio en los operarios de cubiertas, y según algunos estudios daneses el cáncer de pulmón aumenta en operarios expuestos a alquitrán; en California se apreciaron incrementos significativos de leucemia y cáncer urológico en trabajadores de carreteras. Por tanto y aunque los datos epidemiológicos de que se dispone hasta la fecha no bastan para demostrar con un grado razonable de certeza científica que el asfaltos

representa un riesgo de cáncer para las personas, existe un consenso generalizado de que, a la luz de los estudios experimentales, tal riesgo es posible, cuestión que abordaremos más adelante Los humos de los asfaltos se definen como la nube de partículas creada por la condensación y volatización del asfalto. Algunos de los humos de asfalto han sido analizados y presentan en su composición hidrocarburos aromáticos policíclicos (naftaleno, fluoreno, pireno, etc.), metano, monóxido de carbono, mercaptanos, fenoles, etc. En el caso del asfalto, las dos vías principales de ingreso al organismo son la inhalatoria y la dérmica, la inhalación de los humos pueden causar irritación del tracto respiratorio, puede aparecer bronquitis, y otros desordenes respiratorios, también pueden irritar, causar dermatitis y lesiones parecidas al acné. La piel se puede ver afectada por quemaduras. La ingestión de agua o alimentos contaminados con estos tóxicos puede causar quemaduras en la boca y la garganta, así como dolores de estómago. La exposición breve puede dar lugar a irritación de la piel, de las mucosas, de los ojos o de las vías respiratorias, también problemas renales, de hígado, confusión mental, convulsiones, inconsciencia e inclusive la muerte, depende del tiempo de exposición al tóxico. La brea, alquitrán y sus derivados tiene una relación causal con el cáncer. (ibermutuamur.es 2008. Pág. 95, 96)

Alternativas:

Debido a que el petróleo se encuentra en una etapa final la humanidad tiene la tarea de buscar cada vez con más necesidad de alternativas para poder sustituir a este vital recurso. Por lo que se ha tomado la iniciativa para investigar cada vez más productos que ofrezcan las mismas características que los derivados del petróleo pero que sean menos contaminantes y más amigables al planeta  Actualmente se han presentado varias alternativas por diferentes investigadores en diferentes países para poder sustituir al actual asfalto derivado del petróleo en la construcción de carreteras. Existe una alternativa el cual consiste en sustituir el asfalto por grasa de cerdo el cual al ser sometido a un proceso químico se convierte en una sustancia negra parecida al betún, también existen otras como la de sustituir el asfalto por bloques prefabricados de PET.

También en recientes años se han planteado la alternativa de sustituir el asfalto con aceite de palma y/o residuos de otros tipos de aceite; también se ha planteado la idea de usar paneles fabricados con vidrio reciclado el cual no solo cumple con la función de proporcionar una superficie de rodadur a sino que también tiene la capacidad de generar energía eléctrica. Muchas son las alternativas que han surgido en estos últimos años pero aún falta un gran camino por recorrer y nuevos materiales por descubrir.

Bioasfalto: una alternativa para la construcción de carreteras.

Las algas han tomado una parte importante en la investigación ya que con ellas se ha empezado con la producción de biocombustibles y actualmente dado recientes investigaciones se está incorporando en la industria de la construcción, ya que con ella es posible efectuar una mezcla similar al asfalto utilizado en la construcción de carreteras. Para la obtención del bío-asfalto es necesario someter a las micro algas a un proceso denominado licuefacción hidrotérmica (HTL), utilizando el agua subcritica como fuerza motriz química para la transformación de esos residuos en una sustancia viscosa negra e hidrofóbica, que se asemeja mucho al asfalto derivado del petróleo.  Aunque la composición química del bío-asfalto es completamente diferente al derivado del petróleo, ambos tienen similitudes, como su color negro y sus propiedades.  A una temperatura superior a los 100ºC, el bío-asfalto puede usarse para recubrir agregados de minerales. Entre -20ºC y 60ºC mantiene su visco-elasticidad por lo que asegura la cohesión de la estructura granular de los agregados, al tiempo que soporta sus esfuerzos mecánicos. Los tipos de bioasfaltos desarrollados hasta el momento se habían basado en aceites de origen agrícola o en derivados de la industria del papel, mezclados con resinas con el fin de mejorar sus propiedades viscoelásticas. Las microalgas son una opción atractiva, pues su cultivo no requiere del uso de las tierras cultivables.

Microalgas

Las microalgas son organismos unicelulares eucariotas fotosintéticos capaces de transformar la energía luminosa en energía química con una eficiencia cuatro veces superior a la de las plantas.

 Actualmente a nivel comercial, los cultivos masivos de microalgas al exterior y los fotobiorreactores cobran mayor importancia para la producción de compuestos químicos de alta pureza, como: biocombustibles, biofertilizantes, intercambiadores iónicos y carotenos; así mismo, para el tratamiento de aguas residuales, obtención de compuestos terapéuticos y como alimento de consumo humano y animal. Entre los compuestos de más interés obtenidos de las microalgas, destacan los carotenoides, biodiesel, ficobiliproteínas, lípidos, polisacáridos, y compuestos con actividad biológica provenientes de las especies más utilizad  Actividad tales como Dunaliella, Spirullina y Porphyridium . (Abalde y col., 1995) además de Chlorella, y Hematococcus. Ventajas de las microalgas 

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Tienen un potencial mucho más alto para producir aceites y lípidos que pueden ser convertidos a diferentes biocombustibles y productos de alto valor (1000 – 4000 galones/acre/año. Pueden crecer en diversos tipos de clima y agua (residual, salina o potable) y pueden secuestrar CO2 de distintas fuentes. No compiten con la agricultura tradicional porque no son alimentos tradicionales ya que son cultivadas en estanques de agua o en fotobirreactores en tierras no arables. También, los aceites, biomas y lípidos que producen pueden ser la materia prima de suplementos alimenticios, cosméticos, productos químicos y lógicamente, biocombustibles como metano a través de la digestión anaerobia, bio-petroleo, biodiesel, bioetanol, etc.

Licuefacción hidrotermal

Se refiere a las reacciones de descomposición que tienen lugar en agua a alta temperatura y alta presión. Estás parámetros crean una condición de temperatura de agua súper crítica en la que la que estás reacciones químicas son altamente eficientes (Peterson AA, Vogel F, Et. Al). Implica convertir la biomasa en un líquido aceitoso por contacto de la biomasa con agua a levadas temperaturas (300-350 ºC) con suficiente presión para mantener el agua en fase líquida (12-20 MPa) y tiempos de residencia por encima de 30 minutos. El producto primario es un líquido orgánico con un con tenido en oxígeno reducido (sobre el 10%) y el subproducto es agua con compuestos orgánicos solubles. En la licuefacción la biomasa es descompuesta en moléculas pequeñas en agua con o sin disolvente o catalizador. Estas moléculas pequeñas son inestables y reactivas y pueden re-polimerizar a componentes aceitosos con un extenso rango de distribución de pesos moleculares. La licuefacción de biomasa ha sido

investigada en presencia de soluciones de álcalis, formiatos de metales alcalinos, propanol, butanol y glicerina, o licuefacción directa. La licuefacción de biomasa se basa en hidrogenación indirecta. Las moléculas complejas de celulosa y lignina son rotas, el oxígeno es removido, y se adicionan átomos de hidrógeno. El producto de esa reacción química es una mezcla de hidrocarburos que al enfriarse se condensan en un líquido. En el proceso de licuefacción la biomasa se calienta con vapor y monóxido de carbono, o hidrógeno y monóxido de carbono, a temperaturas de 250 °C a 450 °C y presiones de alrededor de 27 MPa en la presencia de un catalizador. La biomasa no necesita ser seca como en la mayoría de los procesos de gasificación, dado que en el proceso se adiciona agua. La licuefacción de biomasa por hidrogenación se ha logrado a escala pequeña con residuos urbanos, varios residuos agrícolas, pecuarios y forestales, encontrándose el método todavía en etapa de desarrollo.

Planteamiento del problema:

Dada la situación actual en la industria del petróleo y los altos contenidos de contaminantes que genera la producción de asfaltos y de los mismos materiales pétreos que se utilizan en la industria de las carreteras, es necesa rio tomar medidas para poder sustituir estos materiales con materiales cada vez menos contaminantes y que sean más económicos. El asfalto utilizado actualmente en la industria de la construcción se basa en un derivado del petróleo el cual se obtiene de la última destilación del mismo; para la obtención del asfalto se desperdicia grandes cantidades de energía en su producción y se genera una gran cantidad de contaminantes que son liberados a la atmosfera terrestre contaminando el aire. El problema actual en la producción de los asfaltos, se da principalmente en los precios del petróleo que en años venideros, dado que es un recurso no renovable, los precios irán a la alza haciendo cada vez más cara la producción de un asfalto y la construcción de carreteras será cada vez más caro. Dado la problemática actual es necesario recurrir a la producción de un sustituto del asfalto que tenga las mismas características físicas que el actual derivado del petróleo, y que sea capaz de cubrir con las necesidades que se requieren en la construcción de un vialidad y de igual manera sea más favorable para el ambiente, en este caso entran los bioasfaltos en donde específicamente investigaremos sobre las Microalgas como un sustituto del asfalto o betún. Objetivo general: Desarrollar una alternativa para sustituir el asfalto convencional con un producto que cuente con las mismas características que este pero que sea menos contaminante y con un costo menor al asfalto tradicional. Objetivos específicos: 

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Desarrollar asfalto compuesto a partir de algas extraídas de cuerpos de agua con el fin de obtener un sustituto del betum que sea menos contaminante y más barato y a la vez sustentable.

Obtener una mezcla similar al asfalto por medio del proceso denominado licuefacción hidrotermal aplicada a una mezcla de algas obtenidas de la región.

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Determinar si las propiedades de la mezcla obtenida cumplen con las características necesarias para sustituir al asfalto convencional. Establecer el procedimiento necesario para poder obtener la mezcla adecuada para el bío-asfalto.

Bioasfalto. ¿Qué es un betún? Los betunes son una mezcla de hidrocarburos de peso molecular elevado, que se presenta en forma de material viscoso más o menos elástico, no cristalino y de color negro. Los principales componentes del betún son el carbono y el hidrógeno y, en mucha menor proporción, oxígeno, nitrógeno, azufre y metales pesados, como níquel y vanadio. Es conveniente diferenciar el betún, obtenido a partir del crudo de petróleo, del alquitrán elaborado a partir de la hulla y con una composición química totalmente diferente. Materiales para carpetas asfálticas. La carpeta asfáltica es la capa superior de un pavimento flexible que proporciona la superficie de rodamiento para los vehículos y que se elabora con materiales pétreos y productos asfalticos. Características de los materiales pétreos. Los materiales pétreos para construir carpetas asfalticos son suelos inertes, provenientes de playones de ríos o arroyos, de depósitos naturales denominados minas o de rocas, los cuales por lo general, requieren cribado y triturado para utilizarse. Las características más importantes que deben tener a satisfacer los materiales pétreos para carpetas asfálticas son granulometría, dureza, forma de la partícula y adherencia con el asfalto. La granulometría es de mucha importancia y debe satisfacer las normas correspondientes, pues como los materiales pétreos se cubren por completo con el asfalto, si la granulometría cambia, también cambia la superficie a cubrir. Ya que la superficie por revestir resulta más afectada al aumentar o disminuir los finos que cuando hay un cambio en las partículas gruesas, las especificaciones toleran más los cambios en estas que en aquellos. Al estudiar cada tipo de carpetas asfáltica, se mencionaran las granulometrías necesarias y las tolerancias correspondientes. Contenido óptimo de asfalto. El contenido óptimo de asfalto para una carpeta es la cantidad de asfalto que forma una membrana alrededor de las partículas, del espesor suficiente para resistir los elementos del intemperismo y que así el asfalto no se oxide con rapidez, pero que no sea tan gruesa como para que la mezcla pierda estabilidad o resistencia y no soporte las cargas de los vehículos. Es conveniente que las partículas tengan la forma más cubica posible, por lo que no deben utilizarse materiales que contengan una cantidad grande de partículas en forma de lajas o de aguja, pues tienden a romperse con facilidad y así cambia la granulometría. La dureza se puede conocer por medio de las pruebas de densidad y desgaste; si el material tiene o no buena adherencia se conoce al efectuar las pruebas de desprendimiento por fricción, de perdida de estabilidad por inmersión en agua y la prueba inglesa. Si esta característica de los pétreos no es aceptables, se puede utilizar un producto, el más eficaz y económico de los muchos que existen en el mercado, para cambiar la tensión superficial de los pétreos.

Características de los productos asfalticos. Cementos asfalticos El asfalto, también llamado cemento asfaltico, es el último residuo de la destilación del petróleo y a temperaturas normales es sólido y de color café oscuro. Para mezclarse con los materiales pétreos, debe calentarse a140 °C, por lo que es necesaria una planta. Las especificaciones correspondientes se encuentran en la tabla de la figura 10-1; el cemento más utilizado es el número 6.

Rebajados asfalticos. Con el fin de poder trabajar con el cemento asfaltico a temperaturas menores, es necesario fluidificarlo; para ello se producen los rebajados y las emulsiones asfalticos. Los rebajados asfalticos se fabrican diluyendo el concreto asfaltico en gasolina, tractolina (también conocida como petróleo diáfano), diésel o aceites ligeros. Para realizar las mezclas con los agregados pétreos y los cementos o los rebajados asfalticos, es necesario que los primeros estén bien secos, pues de otra manera no hay adherencia con el asfalto. Emulsiones asfálticas. Para tener un producto asfaltico que se pueda aplicar con pétreos húmedos, se fabrican las emulsiones asfálticas, en las que el cemento asfalticos se suspende en agua, por medio de un emulsificante y un estabilizador. De acuerdo con el emulsificante usado, se producen emulsiones anionicas y catiónicas; estas últimas resisten mayores humedades en los pétreos. Las emulsiones también son de fraguado rápido, medio y lento conforme el porcentaje de cemento asfaltico. ¿Cuáles son sus características?

Las características fundamentales que debe poseer un betún asfáltico para su utilización en carreteras son:

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Un buen comportamiento geológico. Tanto a altas temperaturas para conseguir

una correcta manipulación y puesta en obra como a las temperaturas de servicio para tener un buen comportamiento en la carretera.



para mantener un buen comportamiento durante toda la vida de la carretera.

Una

buena

resistencia

al

envejecimiento ,

Debido a la cada vez mayor preocupación por el cambio climático provocado por la contaminación atmosférica, debida en su mayor parte a la quema de combustibles fósiles, se ha impulsado la introducción de alternativas al betún que sean más respetuosas con el medio ambiente y menos tóxicas. El betún puede actualmente fabricarse a partir de fuentes renovables no basadas en el petróleo (biobetún), como azúcar, melaza, arroz, maíz y patata. También puede elaborarse a partir de materiales de desechos procedentes de la destilación fraccionada de aceite de motor usado (aceite mineral), que a veces simplemente se quema o se deposita en vertederos. Bioasfalto a partir de Microalgas para Carreteras más “verdes”.

Las microalgas son una alternativa muy prometedora al petróleo, pues con ellas se pueden fabricar biocombustibles. Ahora, además, investigadores de diversos centros franceses, entre ellos el CNRS, en colaboración con la empresa AlgoSource Technologies, han demostrado que pueden servir también para fabricar “bioasfalto”. Este

producto es muy parecido al asfalto "real", que actualmente se utiliza para pavimentar las calles, pero tiene una importante ventaja: es ecológico. Ya están en marcha las primeras pruebas para comprobar su comportamiento a través del tiempo. Durante mucho tiempo, las microalgas han sido conocidas por su uso en aplicaciones como el desarrollo de colorantes cosméticos y de suplementos alimenticios. En años más recientes, surgió la idea de refinarlas, por ejemplo, para la producción de biocombustibles. Hoy en día, como se ha dicho, son reconocidas como una prometedora alternativa al petróleo.  Además de esto, en Francia hay un proyecto, el programa "Algoroute", en cuyo marco laboratorios con sede en Nantes y Orléans han producido, a partir de residuos de microalgas, dicho bioasfalto. Lo hicieron con proceso denominado “licuefacción hidrotérmica” (HTL), es decir, utilizando

agua subcrítica como fuerza motriz química para la transformación de esos residuos en una sustancia viscosa negra e hidrofóbica (que repele el agua); que se asemeja mucho al asfalto derivado del petróleo. Actualmente, el proceso logra una eficiencia de conversión del 55%, informa el CNRS en un comunicado que difunde AlphaGalileo. Características

 A pesar de que la composición química del bioasfalto es completamente diferente de su homólogo derivado del petróleo, ambos tienen similitudes, como su color (negro) y sus propiedades.  Ahora mismo, están en marcha una serie de pruebas para analizar el comportamiento del bioasfalto a través del tiempo, así como estudios de la relación de su efectividad-costo, antes de que se hagan futuras pruebas a gran escala. La innovación podría suponer una opción posible para la industria de la construcción de carreteras, actualmente totalmente dependiente del petróleo. Los tipos de bioasfaltos desarrollados hasta el momento se habían basado en aceites de origen agrícola (que podrían ser necesario para la alimentación humana) o en derivados de la industria del

papel, mezclados con resinas con el fin de mejorar sus propiedades viscoelásticas. Las microalgas son una opción atractiva, pues su cultivo no requiere del uso de las tierras cultivables. Recientemente, surgió otra alternativa para hacer las carreteras más ecológicas: utilizar, en las mezclas asfálticas y sellantes, una molécula vegetal llamada lignina, con el fin de reducir el uso del betún, que es un subproducto de la producción de petróleo crudo que se usa sobre todo para pavimentar carreteras y calles. Referencia bibliográfica:

Mariane Audo, Maria Paraschiv, Clemence Queffélec, Isabelle Louvet, Julie Hémez, Franck Fayon, Olivier Lépine, Jack Legrand, Mohand Tazerout, Emmanuel Chailleux, Bruno Bujoli. Subcritical Hydrothermal Liquefaction of Microalgae Residues as a Green Route to Alternative Road Binders . ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2015). DOI: 10.1021/acssuschemeng.5b00088.