La biomasa algal, una potente fuente de energía

La producción masiva de microalgas puede satisfacer dicha necesidad ya que no compite con el sector alimentario, no requiere de grandes superficies, ni de terrenos fértiles y maximiza el ahorro de agua (ciclo cerrado) para su cultivo. Al mismo tiempo, contribuye a la mejora medioambiental mediante la captación de CO₂ y puede integrar la utilización de efluentes industriales salinos.

La Unidad de Energía de Tecnalia Corporación Tecnológica, a través de su departamento de Bioenergía, estudia la producción de biocarburantes a partir de microalgas, aprovechando su capacidad de absorción de dióxido de carbono (CO₂) con el objetivo final de reducir las emisiones y obtener energía renovable en forma de biocarburantes líquidos.

En el actual contexto energético y económico, cobran especial relevancia las investigaciones y avances en la búsqueda de nuevas materias primas como fuentes de energía y más concretamente para la obtención de biocombustibles para el transporte. Debido a que las materias primas que se emplean actualmente para obtener bioetanol y biodiésel pueden entrar en competencia directa con usos alimenticios o pueden suponer deforestación de determinadas áreas geográficas, la Unidad de Energía de Tecnalia apuesta por el potencial de las algas como biomasa alternativa para la producción de biocombustibles y/o generación de energía primaria. Desde el departamento de Bioenergía consideran que la biomasa algal es una buena candidata como materia prima, ya que se integra fácilmente en los actuales sistemas energéticos y es un recurso renovable.

El reto que al que pretenden dar respuesta los proyectos desarrollados por la Unidad de Energía de Tecnalia es precisamente el desarrollo de sistemas de generación de energía y bioproductos de alto valor añadido a partir de la biomasa algal como fuente renovable. Así, las empresas del país se podrán posicionar favorablemente para aprovechar las nuevas oportunidades que aparecerán en el ámbito energético y biotecnológico. En dichos estudios se analizan los retos tecnológicos y de comercialización tanto en el ámbito de la selección y optimización de especies, como en los aspectos de ingeniería, reducción de costes y transformación de la biomasa producida en biocombustibles para el transporte.

El centro tecnológico lleva tres años investigando la potencialidad del cultivo masivo de microalgas, a través de los trabajos que desarrolla en la selección de estirpes de microalgas, la optimización de sistemas de cultivo —fotobiorreactores abiertos, cerrados y mixtos—, así como la optimización de las diferentes variables de operación, el cosechado y el tratamiento final de las microalgas para su conversión en productos energéticos. Al mismo tiempo, está estudiando aspectos sinérgicos del proceso, tales como la captación de CO₂ como nutriente de las algas, la utilización de efluentes industriales salinos y la valorización de los subproductos.

Las investigaciones que está llevando a cabo el departamento de Bioenergía consisten, en primer lugar, en determinar las especies de algas más adecuadas (con elevado contenido en aceites) para la obtención de biocarburantes, primero en laboratorio y posteriormente en planta piloto. En las primeras fases de dichas investigaciones se han llevado a cabo los trabajos de laboratorio para el diseño, construcción y puesta a punto del fotobiorreactor, así como el estudio de las mejores condiciones de desarrollo de las microalgas ricas en lípidos seleccionadas. Una vez analizados los parámetros que permiten un óptimo desarrollo de las microalgas en el fotobiorreactor se procede al estudio de los mejores sistemas de cosechado y extracción de aceites, primero a escala de laboratorio para, posteriormente, abordar la optimización de dichos procesos a mayor escala. Básicamente, con esta línea de trabajo se trata de lograr explotar a niveles masivos las microalgas como precursores de biomasas y/o bioaceites, con el fin de alcanzar grandes productividades a costes de operación e inversiones reducidas. Un punto clave del proceso consiste en el estudio y selección de las mejores tecnologías disponibles para cosechar y tratar las microalgas, cultivadas en grandes volúmenes de medio líquido, hasta obtener a precios razonables la propia biomasa seca o los bioaceites extraídos de dichas microalgas, de modo que puedan ser potencialmente utilizadas para producir energía y/o biocombustibles para transporte.

Las microalgas ofrecen el gran atractivo de producir biomasa susceptible de ser convertida en combustibles como metano, etanol, biodiésel, bioqueroseno o hidrógeno además de otros bioproductos de amplia utilización en el sector farmacéutico y cosmético (betacarotenos, omega-3, etc). Las productividades que pueden obtenerse por hectárea dependen del lugar, la especie de alga y la técnica de cultivo, pero existen diferentes métodos de cultivo masivo mediante el uso de grandes cultivos en baterías de fotobiorreactores o en estanques abiertos de escasa profundidad, donde podrían alcanzarse productividades hasta 100 toneladas de biomasa por hectárea y año, muy superiores a los cultivos de biomasa tradicional en medio terrestre.

Las microalgas tienen un gran rendimiento y dependiendo de la variedad pueden acumular hasta un 60% de su peso en aceites que se pueden transformar en biodiésel y otros biocarburantes. Otra importante característica es que las algas son captadoras de CO₂, por lo que al cultivarlas para producir biocombustibles se absorbe este gas que tanto afecta al calentamiento global. Las algas pueden fijar el CO₂ de las emisiones industriales forzando su difusión al medio líquido en el que se desarrollan formando compuestos orgánicos mediante la fotosíntesis, aprovechando la energía solar. La producción masiva de microalgas contribuye, de esta forma, a paliar el efecto invernadero y a restablecer el equilibrio térmico del planeta.

Por su parte, investigadores andaluces buscan nuevos tipos de microalgas marinas con el fin de diseñar un catálogo que permita clasificarlas atendiendo a su capacidad de captación de dióxido de carbono y a la utilidad de la biomasa obtenida, según informa Andalucía Innova. “Las microalgas captan la energía solar y la acumulan mediante la fotosíntesis, absorben CO₂ y desprenden oxígeno, por lo que se trata de un sumidero natural. Además, se trata de una fuente renovable e ilimitada que no genera residuos tóxicos ni peligrosos”, asegura Jesús Forja Pajares, investigador principal del proyecto Capacidad de biocaptación de CO₂ por microalgas marinas: implicaciones en el cambio global incentivado con 550.000 euros por la Consejería de Innovación.

Otro de los objetivos marcados en este proyecto, dirigido desde la Universidad de Cádiz (UCA) y en el que participan de forma activa el Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía (CSIC) y la Universidad de Jaén, es ofrecer a la comunidad científica nuevas propuestas para cumplir con los compromisos adquiridos sobre una reducción progresiva de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. En este sentido, las costas andaluzas, según Forja Pajares, “por su elevado índice de radiación solar y su intervalo de variación de temperatura, se presentan como una zona de gran potencial para la utilización de microalgas con este fin”.

Los investigadores experimentarán con cada uno de los tipos las condiciones de cultivo requeridas para obtener un mayor rendimiento. “La disponibilidad de una colección con más de 100 microalgas marinas aisladas, la posibilidad de realizar un seguimiento preciso de los procesos de transferencia de CO₂ entre las fases gaseosa, líquida y las propias microalgas, o las soluciones tecnológicas que se pretenden aplicar al diseño y control del reactor hacen innovadora esta iniciativa”, aclara. El proceso se valorará de una forma integral, incluyendo los balances de materia y energía, un estudio de impacto ambiental de la actividad y la posible comercialización de la materia orgánica producida, por lo que supone un verdadero nicho productivo.

Este equipo de investigación realizará una selección de cuatro microalgas marinas a partir de un total de 20 microalgas pertenecientes a diferentes clases. Su grupo, evaluará en cada una de ellas la capacidad de captación de CO₂, los mecanismos concentradores de carbono inorgánico disuelto, la estabilidad de los cultivos y la composición de la biomasa. Para las microalgas seleccionadas, se evaluará el efecto de la combinación de las variables que afectan al crecimiento en cultivo y se establecerá la cinética de incorporación de carbono y los balances de materia.

El proyecto prevé también el diseño de un reactor en flujo continuo, versátil, con un grado de automatismo que permita el control de la inyección de CO₂ y la monitorización del balance de carbono; así como la optimización de las condiciones de cultivo, incluyendo la adición de nutrientes y metales esenciales, el intervalo de temperatura utilizable y el tiempo de residencia en el reactor, para la obtención de los rendimientos máximos de producción de biomasa y retirada de CO₂.

Otra de las vertientes del proyecto es la comercial. La biomasa producida podría permitir al grupo de la UCA investigar nuevos escenarios como la fabricación de piensos o su utilización directa en acuicultura, o la producción de biodiésel a partir del aceite obtenido del cultivo de microalgas.

Algas limpiadoras

Un equipo de expertos de la Universidad de Jaén, encabezado por el profesor Sebastián Sánchez Villasclaras, ha iniciado un estudio de investigación dirigido a la limpieza de aguas residuales terciarias a través del microalga Botryococcus braunii, según informa Andalucía Investiga. La particularidad es que este microorganismo produce grandes cantidades de hidrocarburos líquidos. Este proyecto, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación bajo el título ‘Desarrollo de un sistema integrado para tratamiento terciario de aguas residuales urbanas y producción de hidrocarburos mediante la microalga Botryococcus braunii’, cuenta con la colaboración de la Universidad de Granada y la de Tetuán.

Este proyecto tienen dos objetivos. En primer lugar realizar el tratamiento terciario de un agua residual a fin de producir agua limpia o reutilizable en el entorno donde se realiza. En la actualidad muy pocas son las depuradoras que realizan esa tercera etapa debido a su elevado coste. La principal ventaja de este tratamiento terciario radica en que el agua que se produce se puede comercializar.

El segundo objetivo es la obtención de hidrocarburos, ya que esta microalga es capaz de producirlo. En este caso los hidrocarburos se acumulan en el interior del alga, y después serán excretados. De esta manera, además de depurar el agua, se obtiene otro valor, el que produce la biomasa de esta alga.

Hasta el momento, los experimentos se han acometido utilizando diferentes configuraciones de fotobiorreactores y operando a escala de laboratorio y a nivel de miniplanta. En las dos escalas de trabajo se utiliza agua residual, procedente de tratamiento secundario de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) de la provincia de Jaén. Los resultados inicialmente obtenidos muestran la posibilidad de usar el agua residual, procedente de tratamientos secundarios, como medio de cultivo para algas y simultáneamente para eliminar nitratos, fosfatos, amonio, y fenoles, que son los tóxicos más frecuentes en las aguas residuales urbanas, asegura el investigador principal. Así, al agua tan solo se le tendría que aplicar un proceso de desinfección para que pueda ser reutilizada en usos agrícolas o industriales.