Redalyc.PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS

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    Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=46125177011   Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Sistema de Información Científica Fernández-Linares, Luis Carlos; Montiel-Montoya, Jorge; Millán-Oropeza, Aarón; Badillo-Corona, JesúsAgustínPRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGASRa Ximhai, vol. 8, núm. 3b, septiembre-diciembre, 2012, pp. 101-115Universidad Autónoma Indígena de MéxicoEl Fuerte, México   ¿Cómo citar? Número completo Más información del artículo Página de la revista Ra Ximhai, ISSN (Versión impresa): 1665-0441raximhai@uaim.edu.mxUniversidad Autónoma Indígena de MéxicoMéxico www.redalyc.org Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto  Producción de biocombustibles a partir de microalgas 100 Ra Ximhai Universidad Autónoma Indígena de México ISSN: 1665-0441 México 2012 PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS Luis Carlos Fernández-Linares; Jorge Montiel-Montoya; Aarón Millán-Oropeza y Jesús Agustín Badillo-Corona Ra Ximhai, septiembre - diciembre, año/Vol. 8, Número 3 Universidad Autónoma Indígena de México Mochicahui, El Fuerte, Sinaloa. pp. 101-115.  Ra Ximhai   Revista  de Sociedad  ,  Cultura y Desarrollo Sustentable  Ra Ximhai Vol. 8, Número 3, septiembre - diciembre 2012 101 PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A PARTIR DE MICROALGAS PRODUCTION OF BIOFUELS OBTAINED FROM MICROALGAE Luis Carlos Fernández-Linares 1 ; Jorge Montiel-Montoya 2 ; Aarón Millán-Oropeza 1  y Jesús Agustín Badillo-Corona 1   1 Profesor investigador. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología-Instituto Politécnico Nacional. Av. Acueducto s/n Col. Barrio la Laguna Ticomán, C.P. 07340 México D.F. 2 Profesor investigador. CIIDIR- Instituto Politécnico Nacional, Unidad Sinaloa. Blvd. Juan de Dios Bátiz Paredes 250. Guasave, Sinaloa, México. 81101. mont54@yahoo.com. RESUMEN Se hace una revisión de la situación de los biocombustibles en el mundo, principalmente del biodiesel. Se comparan las diferentes materias primas para la síntesis de biodiesel y se enfatiza en la producción de éste a partir de microalgas. Se comparan las diferentes microalgas de agua dulce y salada en cuanto a su contenido lipídico y productividad. Se revisa el  proceso de biosíntesis de los lípidos y como se puede mejorar su producción de lípidos en estas. Se discute la importancia de manipular genéticamente a  Botryrococuus braunni, Nannochloropsis sp  , Noechlorisoleobundans y  Nitschia sp .  También se hace un estudio de las ventajas y desventajas de los diferentes sistemas de cultivo de microalgas. Finalmente se presenta una perspectiva de los biocombustibles a partir de las microalgas. Entre los principales retos a vencer para producir biodiesel están: El costo de producción de biomasa, que involucra la optimización de medios, selección y manipulación de cepas y el diseño de fotobioreactores. También se debe considerar el proceso de separación de biomasa, la extracción de aceites y subproductos, la optimización del proceso de transesterificación, purificación y uso de subproductos. Palabras clave : Biodiesel, bioetanol, fotobiorreactores, algas, cianobacterias, sustentabilidad, ecología industrial. SUMMARY A review of the situation of bio-fuels in the world, mainly of biodiesel is made. A comparison among the different raw materials for the synthesis of biodiesel is done and it is emphasized in the production of biodiesel from microalgae. The different fresh and salt water micro-algae in its lipid content and productivity are compared. A review of the process of  biosynthesis of lipids in microalgae and how to improve the production of lipids in microalgae is shown. It is discussed the importance of the genetic manipulation to highly lipid-producing microalgae (example:  Botryrococuus braunni,  Nannochloropsis sp  , Noechlorisoleobundans and  Nitschia sp.). A study of the advantages and disadvantages of the different systems of cultivation of microalgae is also made. Finally, it is shown a perspective of biofuels from microalgae. Among the main challenges to overcome to produce biodiesel from microalgae are: the cost of production of biomass, which involves the optimization of media, selection and manipulation of strains and photobioreactors design. The process of separation of biomass, the extraction of oils and by-products, the optimization of the process of transesterification,  purification and use of by-products must also be considered. Key words : Biodiesel, bioethanol, photobioreactors, algae, cyanobacteria, sustainability, industrial ecology. INTRODUCCIÓN Existen dos grandes problemas que enfrenta el mundo en el área energética: la disminución de las reservas petroleras y la contaminación causada por la quema de los combustibles fósiles. A partir de la revolución industrial (siglo XVIII y XIX) se comenzó a observar la presencia de gases emitidos durante los procesos productivos, y solo hasta el siglo XX, los científicos y los políticos comenzaron a tomar en consideración las alteraciones generadas a los ecosistemas y a la población humana. Durante muchas décadas los combustibles fósiles han sido la principal fuente energética y también el principal motor de la economía mundial, sin embargo, no se han descubierto nuevos yacimientos  petroleros de gran importancia o impacto en la producción mundial, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) señala la necesidad de desarrollar tecnología que sustituya el uso de petróleo, ya que  para el 2020 pronostica la disminución de la producción del petróleo convencional. Uno de los retos más importantes que enfrentará la sociedad en las próximas décadas será cubrir la creciente demanda de energía de forma segura y sustentable. La demanda de energía crecerá potencialmente en los próximos años, para el año 2004 el consumo mundial de energéticos fue de alrededor de 13,000 Mtoe (millones de toneladas de equivalente de petróleo) y se estima que para el año 2030 el consumo se eleve hasta los 18,000 Mtoe (Boyle, 2004). Recibido: 04 de julio de 2012. Aceptado: 30 de agosto de 2012. Publicado como ARTÍCULO CIENTÍFICO en Ra Ximhai 8(3): 101-115.  Producción de biocombustibles a partir de microalgas 102 La energía primaria proviene aproximadamente en 80% de petróleo, carbón y gas natural y aún  para el año 2030 las fuentes renovables seguirán representando una pequeña fracción de la energía global (AIE, 2006). En los próximos cuarenta años será más difícil producir petróleo, esto es debido a que actualmente se extraen crudos cada vez más pesados los cuales son más difíciles de refinar, afectando directamente al costo de producción de combustibles, así como el hecho de que la política, la economía y la tecnología definen en el mercado el precio del petróleo. La crisis del petróleo de 1970 provocó gran interés a nivel mundial en el desarrollo de  biocombustibles como fuente alterna al uso de combustibles derivados de petróleo (Timilsina y Shrestha., 2011). En 2008 los combustibles fósiles se establecieron como fuente primaria de energía (Balat y Balat., 2010). Actualmente, el sector de transporte es completamente dependiente de combustibles derivados de petróleo, su demanda aumenta anualmente en promedio 1.4%. De continuar la extracción al ritmo actual, las reservas de petróleo se agotarán para mediados del  presente siglo (Departamento de Energía de los Estados Unidos:  International Energy Outlook  , 2011). Esto representa serios problemas de seguridad energética y el aumento en la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) (Mata  et al.,  2010). Aunado a eso, el uso de combustibles fósiles no es sustentable debido a la acumulación de GEI en la atmósfera (Balat, 2011). Esta situación demanda la necesidad del desarrollo de tecnologías sustentables, renovables y que permitan cubrir la demanda energética de las actividades antropogénicas (Balat y Balat., 2010). Las energías renovables se definen según la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE) como formas de energía que tienen una fuente prácticamente inagotable con respecto al tiempo de vida de un ser humano en el planeta, y cuyo aprovechamiento es técnicamente viable. Dentro de estos tipos de energía se encuentran: la solar, la eólica (viento), la hidráulica, la biomasa (materia orgánica), la geotérmica (calor de las capas internas de la tierra) y la energía oceánica,  principalmente. La biomasa, es el término genérico que se refiere al conjunto de la materia  biológicamente renovable (árboles, cultivos), de la que se puede obtener biocombustibles como el  biodiesel, obtenido de aceites de plantas o algas, y el bioetanol. Actualmente hay un gran interés  por la producción de grandes cantidades de este como alternativa a los combustibles fósiles en todo el mundo. Una alternativa es el uso de biocombustibles, definidos como combustibles líquidos o gaseosos  potencialmente renovables, que pueden utilizarse para la generación de electricidad, calor y energéticos (Balat  et al. , 2007). Los biocombustibles como: bioetanol, butanol, biodiesel, hidrógeno y metano, son sintetizados a partir de fuentes biológicas (Stephanopoulos et al.,  2008). Particularmente, el biodiesel es una interesante alternativa para cubrir parte de la demanda energética de combustibles derivados de petróleo destinados al transporte (Chisti, 2011). El  biodiesel es un biocombustible producido principalmente de aceites de plantas oleaginosas, cuya disponibilidad es incapaz de remplazar el mercado de diesel (Timilsina y Mevel., 2010); además de no ser sustentable por competir por alimento humano y suelos cultivables (Amaro et al. , 2011; Demirbas y Demirbas, 2010). El uso de microalgas para la producción de biodiesel ha surgido como una opción promisoria, debido a que presentan mayor eficiencia fotosintética, son más eficaces en la asimilación de CO 2  y otros nutrientes con respecto a las plantas, acumulan entre 20 y 80% de triglicéridos (Chisti, 2011), no requieren tierras cultivables, demandan menor consumo de agua renovable y pueden cultivarse en agua salobre (Amaro et al. , 2011;Chisti, 2007; Demirbas, 2009). La composición del medio de cultivo y las condiciones de crecimiento de microalgas tienen un efecto importante en el rendimiento de biomasa y en el contenido de lípidos (Sims y Christenson, 2011). Se ha demostrado que la limitación de nitrógeno y fósforo, incrementan el contenido lipídico en microalgas (Beer et al. , 2009; Scott et al. , 2010). Para su cultivo existen dos principales tipos de fotobiorreactores: sistemas cerrados y sistemas abiertos tipo raceway (Sims y Christenson, 2011). Los sistemas abiertos presentan menor  Ra Ximhai Vol. 8, Número 3, septiembre - diciembre 2012 103  productividad comparados con los sistemas cerrados (Chisti, 2011). Sin embargo, su operación, limpieza, construcción y escalabilidad son aspectos más económicos a comparación de los sistemas cerrados (Ugwu et al. , 2008); por lo que su desarrollo representaría una opción promisoria en la optimización de costos de producción para un bioproceso de biodiesel a nivel industrial. México como Colombia y otros países Latinoamericanos actualmente son exportadores de petróleo,  pero las reservas probadas y la calidad del petróleo están disminuyendo. Actualmente es imperante que se desarrollen planes para la implementación y desarrollo de tecnologías para la obtención de energías renovables. Varías de estas tecnologías ya llevan un gran avance en el desarrollo tecnológico (eólicas, solar, mareomotriz), así como la obtención de biocombustibles a partir de caña y granos. En el caso de los biocombustibles, se deben desarrollar tecnologías que sean sustentables, es decir, que respondan a las necesidades y realidades de los países Latinoamericanos. Los biocombustibles a partir de algas son tecnologías que permitirán dar respuesta a las necesidades de combustibles líquidos de forma sustentable y contribuir a la seguridad energética nacional. Situación de los biocombustibles en el mundo El incremento del precio del petróleo, la naturaleza finita de los combustibles fósiles y la  preocupación con respecto al impacto ambiental, especialmente sobre la emisión de gases de efecto invernadero (GEI), han establecido la necesidad de buscar nuevas fuentes energéticas; así como desarrollar tecnologías alternas para motores de combustión (Balat, 2011). Debido a que aproximadamente el 98% de las emisiones de carbono resultan de la combustión de energéticos fósiles (Balat y Balat,. 2010). A partir de la crisis de petróleo en la década de 1970, surgió gran interés en desarrollar  biocombustibles para el uso en medios de transporte en países como: Brasil, Estados Unidos, China, Kenya y Zimbawe (Timilsinay Shrestha., 2011). En la actualidad el sector de transporte es casi totalmente dependiente de los combustibles derivados de petróleo, alcanzando el 73.3% del consumo global de petróleo. La mayoría de los expertos coinciden en que de continuar la extracción al ritmo actual, las reservas de petróleo se agotarán para mediados del presente siglo (Balat y Balat., 2010; Departamento de Energía de los Estados Unidos:  International Energy Outlook  , 2011). A pesar de la existencia de tecnologías para captar energía solar, hídrica y eólica, el uso de  biocombustibles líquidos y gaseosos a partir de biomasa permitirá cubrir gran parte de la demanda energética requerida para el transporte (Balat, 2011; Chisti y Yan, 2011). La creación de biocombustibles líquidos a partir de biomasa ha sido un gran logro de la  biotecnología, porque son una fuente renovable y abundante en lugares donde los combustibles líquidos derivados de petróleo no están disponibles (Stephanopulus et al., 2008). En años recientes se han estudiado los impactos económicos y ambientales de la producción de biocombustibles como etanol, metano, hidrógeno, y biodiesel. Resaltando la importancia del estudio de la  producción de biodiesel, debido a que es la única tecnología capaz de sustituir el consumo de combustibles derivados de petróleo (Chisti, 2011), principalmente aquellos destinados para el sector de transporte. Además ofrece ventajas ambientales como la reducción de emisiones de GEIs hasta el 70-90% con respecto al diesel convencional (Timilsina y Mevel, 2010). Biodiesel El biodiesel es un biocombustible líquido compuesto de alquil-ésteres de alcoholes de cadena corta como etanol y metanol, con ácidos grasos de cadena larga obtenidos a partir de biomasa renovable: aceites vegetales, grasas animales y aceites de microalgas (Robles-Medina  et al. , 2009). Se han hecho esfuerzos considerables para el desarrollo de derivados lipídicos (triglicéridos) que se asemejen a las propiedades y comportamiento de energéticos a base de hidrocarburos fósiles (Balat,
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