luis manuel navas - españa_conferencia_luismanuelnavas_ecuador2012_02

LUIS MANUEL NAVAS GRACIA - UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Avda. de Madrid 44, 34004 Palencia (ESPAÑA)

(: +34 979 108360. 7: +34 979 108302. Email: lmnavas@iaf.uva.es

DESARROLLO DE FOTOBIORREACTORES PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROALGAS

CON FINES ENERGÉTICOS

PRIMER FORO IBEROAMERICANO DE CIENCIA PARA LA ENERGÍA

Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPANHA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: lmnavas@iaf.uva.es

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RECTORADO PALACIO DE SANTA CRUZ

EDIFICIO HISTÓRICO FACULTAD DE DERECHO

CONSIDERACIONES PREVIAS

SOSTENIBILIDAD

EFICIENCIA ENERGÉTICA GEI

BIOMASA

ALGAS

BIOCOMBUSTIBLES

CULTIVOS OLEAGINOSOS

ENERGÍAS RENOVABLES

CAMBIO CLIMÁTICO

AGROENERGÍA

EÓLICA

MAREOMOTRIZ

I+D+i

VII PM

CO2 / CH4

EERR

DESAFÍO ENERGÉTICO Y CLIMÁTICO MUNDIAL

CONSIDERACIONES GENERALES

Núcleos urbanos

Industrias

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y CAMBIO CLIMÁTICO

UN VISTAZO AL MUNDO …

PROBLEMAS DE SALUD

UN VISTAZO AL MUNDO …

CRISIS DE MATERIAS PRIMAS Y ALIMENTOS

UN VISTAZO AL MUNDO …

11

Demanda de alimentos (2000 – 2025)

+ 62,0%

Variación % 2000-2025

Part.% 2025

China 13,2% 17,4%

Índia 36,6% 16,8%

África 68,9% 15,4%

Mundo 33,9% 100%

billones

5,20

1,97

6,20

2,45

8,30

3,97

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

1990 2000 2025

Población Mundial Demanda de Alimento (Tm)

UN VISTAZO AL MUNDO …

DEMANDA DE ALIMENTOS

CRISIS ENERGÉTICA

UN VISTAZO AL MUNDO …

12  

0  

2  

4  

6  

8  

2000   2050   2100  0  

Población  (billon

es)  

1400  

200  

400  

600  

800  

1000  

1200  

Consum

o  de

 ene

rgia  (Q

btu/año)  Población  

mundial  

Energía    consumida  en  el  mundo    

1950  1900  

Población  de  los  paises  industrializados  

10  

año  

UN VISTAZO AL MUNDO …

CONSUMO CRECIENTE DE ENERGÍA

CO2 NOx

SOx

¿UNA SOLUCIÓN?

O2

PROBLEMAS SALUD CONTAMINACION ATMOSFÉRICA

CRISIS MATERIAS PRIMAS CRISIS ENERGÉTICA

CULTIVO SEGUNDA GENERACION

PIENSOS ANIMALES

SUPLEMENTOS PROTEICOS

BIOCOMBUSTIBLES

BIOMASA ALGAL

UN VISTAZO AL MUNDO …

Sin movimiento Móviles sólo los gametos

Unicelulares móviles. Pluricelulares, los gametos

Inmóviles, con caparazón duro de dos valvas

Móviles, gracias a dos flagelos

Dos flagelos de distinto tamaño Movimiento

Celulosa Celulosa Celulosa Celulosa+sílice Celulosa No presenta Pared celular

Clorofila, carotenos, ficoeritrina, ficobilina

Clorofila, carotenos, fucoxantina

Clorofila y carotenos

Clorofila, carotenos y xantofilas

Clorofila, carotenos y xantofilas

Clorofila, carotenos y xantofilas

Pigmentos

Rojo o violeta Pardo Verde Pardo Pardo amarillento Verde Coloración

Unicelular / Pluricelular Pluricelular Unicelular /

Pluricelular Unicelular Unicelular Unicelular Estructura

Imagen

Rodofitas Feofitas Clorofitas Crisofitas (Diatomeas) Dinoflageladas Euglenofitas División

CLASIFICACIÓN MICROALGAS

CONSIDERACIONES GENERALES

1. Spirulina 2. Hidrodiction 3. Dunaliella 4. Haematococcus 5. Nostoc

6. Cylindrotheca 7. Anabaena 8. Synechocistis 9. Chlamydomonas 10. Scenedesmus

11. Porphiridium 12. Haematococcus 13. Botryococcus 14. Phaeodactylum 15. Thalassiosira

ESPECIES DE ALGAS MICROSCÓPICAS

CONSIDERACIONES GENERALES

•  Microorganismos (µm) •  Incluye Procariotas y Eucariotas •  Más de 30,000 especies •  Clorofila + carotenoides •  Diversidad de formas, tamaños y colores •  Fotoautótrofos: CO2 ($) / O2 (h) •  Ocupan hábitats muy diversos •  Productividad primaria global (50 %) •  Junto con las Metafitas soportan la vida •  Producción potencial de bienes y servicios

PROPIEDADES DE LAS MICROALGAS

CONSIDERACIONES GENERALES

1. Fijan CO2 à Kyoto y Rio+20 2. No transpiran à Sin riego 3. Radiación solar à Abundante 4. Sistema cerrado à No contamina 5. Producción à Continua 6. Sin “plagas” à Sin fitosanitarios 7. Torta à Proteína 8. Biotecnología à Posible

MICROALGAS PARA BIOCOMBUSTIBLES

CONSIDERACIONES GENERALES

6 CO2 + 6 H2O

264 g 108 g 180 g 192 g

1.47 kg 0.60 kg 1 kg 1.07 kg

TRANSPIRACIÓN: 1 kg de biomasa è 1,000 L H2O

C6O6H12 + 6 O2 Luz

Cloroplastos

FOTOSÍNTESIS

CONSIDERACIONES GENERALES

SISTEMA BIOMASA (Mg·ha-1·año-1)

FOTOSÍNTESIS (%)

Ecosistema natural 4 0.10 Ecosistema terrestre 6 0.15 Ecosistema acuático 3 0.07 Sabana 10 0.25 Pradera 20 0.50 Bosque 10 – 40 0.25 – 1.00 Cultivo agrícola 20 0.50 Maíz grano 15 0.40 Maíz planta 50 1.20 Caña común 30 0.70 Caña azúcar 60 1.50 Jacinto de agua 80 2.00 Microalgas > 100 > 2.50

EFICIENCIA FOTOSINTÉTICA

CONSIDERACIONES GENERALES

COMPOSICIÓN EN ACEITE DE LAS ALGAS

CONSIDERACIONES GENERALES

ESPECIE ACEITE (1,2)

Botryococcus braunii 25 – 75

Chlorella sp. 28 – 32

Crypthecodinium cohnii 20

Cylindrotheca sp. 16 – 37

Dunaliella primolecta 23

Isochrysis sp. 25 – 33

Monallanthus salina 20

Nannochloris sp. 20 – 35

Nannochloropsis sp. 31 – 68

Neochloris oleoabundans 35 – 54

Nitzschia sp. 45 – 47

Phaeodactylum tricornutum 20 – 30

Schizochytrium sp. 50 – 77

Tetraselmis suecica 15 – 23 (1) Porcentaje de aceite / grasa sobre materia seca (2) Alto contenido en aceite cuando no crecen

MATERIAS PRIMAS VEGETALES

CONSIDERACIONES GENERALES

CULTIVO L·ha-1·año-1

Soja 400 Sésamo 800 Girasol 900 Colza 1,200 Ricino 1,500 Coco 3.000 Palma 6,000

BIODIÉSEL

Algas > 10,000

PRODUCCIÓN DE ACEITE PARA BIOCOMBUSTIBLE

CONSIDERACIONES GENERALES

CONSIDERACIONES GENERALES

PROCESOS DE CONVERSIÓN EN BIOCOMBUSTIBLES

TRABAJOS DE LABORATORIO Y PRODUCCIÓN COMERCIAL

CONSIDERACIONES GENERALES

Central eléctrica de Redhawk Phoenix (Arizona, USA)

COSTES DE COMBUSTIBLES (2010)

CONSIDERACIONES GENERALES

Algas: 2.00 – 20.00 €·L-1

Cultivos: 0.95 – 1.15 €·L-1

Gasolina: 0.55 – 0.60 €·L-1

Diesel: 0.65 – 0.70 €·L-1

MACROALGAS: •  Costa: 0.05 €·kg-1 (biomasa seca)

•  Mar abierto: 0.40 €·kg-1 (biomasa seca)

MICROALGAS: •  Raceway: 10 €·kg-1 (biomasa seca)

•  Fotorreactor cerrado: 35 €·kg-1 (biomasa seca)

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

BIORREACTOR RACEWAY

BIORREACTORES EN CANALES

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

■  El estanque de recirculación suele estar sustituido por el propio canal de cultivo (cubierto o no). Recirculación constante

■  Ocupan grandes superficies de terreno con poca profundidad

■  Tipología tradicional de depuración de efluentes con altas concentraciones de formas nítricas y fosfóricas

■  Tipología tradicionalmente utilizada para producir microalgas para las industrias cosmética, farmacéutica y la piscifactoría

■  Normalmente sin inyección de CO2

BIORREACTORES EN CANALES

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

BIORREACTOR RACEWAY

■  El estanque de recirculación suele estar sustituido por el propio canal de cultivo (cubierto o no). Recirculación constante

■  Ocupan grandes superficies de terreno con poca profundidad

■  Tipología tradicional de depuración de efluentes con altas concentraciones de formas nítricas y fosfóricas

■  Tipología tradicionalmente utilizada para producir microalgas para las industrias cosmética, farmacéutica y la piscifactoría

■  Normalmente sin inyección de CO2

FOTOBIORREACTOR DE PLACA PLANA ■  Existe un deposito de recirculación donde se suelen centralizar las operaciones de adicción de nutrientes y dosificación de CO2, así como de trasferencia de calor

■  Poco espesor para mejorar la captación radiativa

■  La inyección de CO2 puede estar localizada dentro de los biorreactores o en el depósito de recirculación

■  Tienen mayor rendimiento por unidad de superficie que los biorreactores en canal

FOTOBIORREACTORES DE CONDUCCIONES y/o RECIPIENTES

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

FOTOBIORREACTOR EN TUBO Y “V”

FOTOBIORREACTORES DE CONDUCCIONES y/o RECIPIENTES

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

■  Existe un deposito de recirculación donde se suelen centralizar las operaciones de adicción de nutrientes y dosificación de CO2, así como de trasferencia de calor

■  Poco espesor para mejorar la captación radiativa

■  La inyección de CO2 puede estar localizada dentro de los biorreactores o en el depósito de recirculación

■  Tienen mayor rendimiento por unidad de superficie que los biorreactores en canal

FOTOBIORREACTOR LAMINAR ■  Tipología que ofrece mayor rendimiento por superficie ocupada

■  Depósito de recirculación en el que se centralizan el control de temperatura del medio de cultivo y la dosificación de nutrientes

■  La inyección de CO2 se realiza en el interior del panel de cultivo

■  El recolectado de biomasa algal presenta un alto contenido en materia seca respecto a las demás tipologías

FOTOBIORREACTORES EN MEDIO POROSO

CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

FOTOBIORREACTOR LAMINAR (PBRL)

Título: Fotobiorreactor laminar para la producción de microalgas Número de publicación: ES 2 347 515 A1

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

VENTAJAS DEL NUEVO FOTOBIORREACTOR PBRL 1.  Aplicable a gran escala (decenas o centenares de ha) a bajo coste

2.  Alta eficiencia en la iluminación de las microalgas inmovilizadas en el panel

3.  Fácil intercambio de gases (CO2 y O2 principalmente) entre el aire y el medio de cultivo

4.  Refrigeración pasiva del medio por evaporación natural del agua tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura

5.  Cosecha de las algas concentradas ya sea del medio líquido, por decantación o centrifugación, o del propio panel por raspado

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Cosecha de la biomasa inmovilizada

Efecto del CO2

Grupo de Agroenergética ETSIA-UPM (ESPAÑA)

Modulo

Electroválvula

Bomba recirculación

Panel fotobiorreactor Resistencia Compresor

Deposito recirculación

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL

Gasómetro

LabVIEW (NI)

Controlador

Servidor Cliente

CompactRIO (NI) Hardware Sistema de adquisición de datos Ejecutor de algoritmos de control Conexión de entradas/salidas digitales o analógicas (sondas, contactores, relés)

Base de Datos: parámetros de configuración, variables de medida, valores de cálculos.

Acceso a configuración del sistema Consulta de históricos Control / Acción a sistema de control.

ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE CONTROL

CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL

APLICACIÓN SCADA

CONTROL FOTOBIORREACTOR PBRL

PROCESO DE SECADO DE BIOMASA DE ALGAS ■  Solicitud de patente P201230037 ■  Desarrollado dentro del Proyecto de Desarrollo de Actividades de

Transferencia de Conocimiento desde la Universidad de Valladolid (TCUE3). Marco de la Estrategia Universidad-Empresa de Castilla y León 2008-2011

INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS

FOTOBIORREACTORES DE MICROALGAS PARA PARAMENTOS VERTICALES

PROYECTO URBAN-ALGAE

INTEGRACIÓN EN LAS EDIFICACIONES

PROYECTO URBAN-ALGAE

■  Superficie horizontal comprometida para ampliaciones o ausencia ■  Grandes superficies en paramentos verticales ■  Efluentes gaseosos: concentración de GEIs y de energía térmica

EL PROBLEMA

PROYECTO URBAN-ALGAE

■  Superficie horizontal comprometida para ampliaciones o ausencia ■  Grandes superficies en paramentos verticales ■  Efluentes gaseosos: concentración de GEIs y de energía térmica

LA SOLUCIÓN

PANELES DE MICROALGAS EN PARAMENTOS VERTICALES

PROYECTO URBAN-ALGAE

MADAME CURIE (1867-1934)

Física y Química Primera mujer Doctora en Europa Primera mujer en ganar el Premio Nobel Dos Premios Nobel: 1903 en Física y 1911 en Química

MADAME CURIE (1867-1934)

Nada en la vida debe ser temido, solamente

comprendido. Ahora es la hora de

comprender más para temer menos

MUCHAS GRACIAS

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍAS AGRARIAS

Luis Manuel Navas Gracia Dpto. Ingeniería Agrícola y Forestal ETS Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Avda. de Madrid, 44 34004-PALENCIA (ESPAÑA) Tel.: +34 979 108 360 Fax: +34 979 108 302 E-mail: lmnavas@iaf.uva.es