Les microalgues com un dels biocombustibles del futur Joan Salvadó

Cap de l’àrea de bioenergia I biocombustibles de l’IREC

Barcelona, 13 de gener de 2014

www.irec.cat

BP Statistical Review of World Energy 2012 © BP 2012

Consum d’energia primària en el món Million tonnes oil equivalent

BP Statistical Review of World Energy 2013 © BP 2013

Biofuels production by region Million tonnes oil equivalent

World biofuels production

MICROALGUES COM A CULTIU ENERGÈTIC

“Les microalgues són tots aquells organismes fotosintètics microscòpics que creixen en aigua o pel·lícules aquoses i que podem trobar en entorns marítims i d’aigua dolça” (Sheehan, J. et al., 1998).

Classificació de les microalgues

Procariotes ( “abans del nucli”)

Eucariotes

• Organismes de cel·la simple

• No hi ha un nucli definit

• Clorofil·la (absorbeix en blau-violeta i vermell-taronja)

• Tenen una envoltura nuclear

• Mitocondria, cloroplasts, aparell de Golgi

Prokaryote Cyanobacteria

Eukaryote Euglenophyta

Chlorophyta

Dinophyta

Chromatophyta

Prymnesiophyta

Xanthophyta

Cryptophyta

Prasinophyceae

Chlorophyceae

Crysophyceae

Bacillariophyceae

Eustigmatophyceae

Raphydophyceae

Phaeophyta

Rhodophyta

Procariotes • Cyanophyta • Distribució cosmopolita • Contenen chorofil·la a , ficocianina i ficoeritrina • Emmagatzematge de carbohidrats : glucogen • Cianoficina, per emmagatzemar nitrogen

Spirulina sp. Cianobacteri filamentós Productes valuosos Alt contingut en proteïna ( 60% en pes sec) Aminoàcids essencials I àcid gamma-linolènic Vitamines:B1, B2, B3, B5 , B6, B7, i B12, C, E i

provitamina A (Beta-carotè) Pigment: Ficocianina Excel·lent suplement alimentari

OHIO University

Kate L. Howell, University of Victoria,

Department Biology

Eucariotes

• Divisió (Phylum) Euglenid • La majoria unicel·lulars i flagel·lats • Contenen clorofil·la a i b • Emmagatzematge de carbohidrats : paramil • Paret cel·lular resistent

Euglena sp Organisme unicel·lular d’aigua dolça Poducte valuós Lípids

Usos de les microalgues Nutrició

− Aliments − Complements dietaris

Productes d’alt valor afegit − Àcids Grassos Poliinsaturats (PUFA) − Pigments − “Nutraceutics”

Captura de contaminants − CO2 (Atmosfera) − Amoníac, Nitrats i Fosfats (Aigües) − Metalls pesants (Vessaments i aigües)

Matèria primera per a producció de Biocombustibles

Usos de les microalgues

Alimentació:

Porphyra utilitzat com a nori

Spirulina com a suplement alimentari per a esportistes

PUFA

DHA és l’únic PUFA comercialment disponible. La producció de GLA, EPA i AA encara no són comercialment competitives, tot i el claríssim potencial.

Les microalgues s’estan investigant com a agents anticàncer/antitumoral i per al tractament de l’Alzheimer i esquizofrènia

Ref: REVIEW: Commercial Applications of Microalgae Pauline Spolaore, Claire Joannis-Cassan, Elie Duran, and Arsène Isambert

Pigments

Beta-carotens (Dunaliella spp). Cosmetics, sucs de taronja. Pharma

Phyicocianina Cosmètics (ombra d’ulls). Fluorescència

Phyicoerythrin (Cyanobacteria ) . Mateixes aplicacions que Phyicocianina.

18

General composition of human food sources and different algae (% of dry matter) (Becker, 1994).

19

Valor afegit de diferents productes de les microalgues

Waste Water post-treatment Results

Waste Water post-treatment Results

Using Chlorella vulgaris

Ref: Microalgae and Wastewater Treatment Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 31, Issue 3, August 1995, Pages 205-210

Producció d’energia

Producció de biodiesel com a biocombustible sintètic

Usos

Fotosíntesi de les Microalgues

Reacció bàsica

Comparació de productivitat

25

Cultiu Rendiment d’oli

(L/ha/any) Àrea requerida (M ha) a

Blat de moro 172 1540

Fava de soja 446 594

Canola 1190 223

Jatropha 1892 140

Coco 2689 99

Palma 5950 45

Microalgues b 58700 4.5 Superfície d’oliveres a l’estat espanyol

- 2.5

a Per abastir el 50% de tot el fuel necessari per transport d’Estats Units. b 30% oli (en pes) en biomassa seca.

26

Nutrients per al creixement de les microalgues

27

Nutrients per al creixement de les microalgues

* Insufficient information. Adapted from: Healy, F.P., CRC Critical Reviews in Microalgae, CRC Press, Boca Raton, Florida, 1973 and from Aaronson, S., Experimental Microbiological Ecology, Academic Press, New York, 1970.

Reactors

Seqüència de mides de reactor de bassa oberta (open pond) per a les inoculacions

30

Open Ponds

Escala industrial

Fotobioreactors tancats

• Flate-plate Tubular Vertical-column

Fotobioreactors tancats

35

36

OBERT TANCAT Risc de contaminació Elevat Baix Control del procés Difícil Fàcil Productivitat Baixa Elevada Inversió Baixa Elevada Cost d’operació Baix Elevat Pérdua d’aigua Elevat Baix Control de temperatura a l’estiu Bo Deficient

Característiques dels tipus de reactors

Escalat de cultius (en laboratori)

38

Planta propietat de REPSOL, projecte finançat per PlanE

Fotobioreactor

Factors de creixement

• CO2

• Llum (tipus de llum i seqüència llum/fosc)

• Aigua • N, P, (i altres oligoelements)

• Temperatura • pH • Tipus de sistema de reacció

39

Corba de creixement de les microalgues

Time (days)

Cel

ls/m

L

Lag phase

Exponential phase

Stationary phase

Effect of CO2 addition

10.000

100.000

1.000.000

10.000.000

100.000.000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

cells

/mL

days

Cylindrotheca closterium 0 vs. 1% CO2

A2 0%CO2

A3 0%CO2

A4 0%CO2

A1 1%CO2

A2 1%CO2

A3 1%CO2

10.000

100.000

1.000.000

10.000.000

100.000.000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

cells

/mL

days

Nannochloropsis gaditana 0 vs. 1% CO2

B1 0%CO2

B2 0%CO2

B3 0%CO2

B1 1%CO2

B2 1%CO2

B3 1%CO2

10.000

100.000

1.000.000

10.000.000

100.000.000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

cells

/mL

days

Phaeodactylum tricornutum 0 vs. 1% CO2

C2 0%CO2

C3 0%CO2

C4 0%CO2

C1 1%CO2

C2 1%CO2

C3 1%CO2

C. closterium

N. gaditana

P. tricornutum

Day +1 Day +2 Day +4

C. closterium Day +7

Day +5

1/3 of Top: Everyday within specific time intervals

2/3 of Top: end of experiment

Bottom: end of experiment

9.30 am & 6.30pm

In spectroscopy , with Optical density @750nm ( wavelength for turbidity)

By using 750nm-curve (Cells/mL versus OD)

Calculating concentration

Recol·lecció (downstream): sedimentació

1st Day

After 1 week

Natural sedimentation

Increasing pH. Pictures taken in 25 min. interval

pH induced flocculation

Chitosan (medium molecular weight)

Concentrations: 5 , 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 , 80 , 90, 100, 200 ppm

9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

Cel

l/mL

(X10

6 )

concentration(ppm)

(chitosan flocculation)

culture

chitosan-bottom

pH

pH

Optimizing flocculating agent concentration

Downstream: Dynamic tangential filtration

• Phaeodactilum tricornutum – Geometry: cylindrical 3.5 x 40 micrometers

• Rotating membrane module

• Studied parameters – Rotation speed: 0, 557, 833 and 1110 rpm – Transmembrane Pressure (TMP): 1 and 2 bar – Kind of membrane: Ceramic 0.5 and 2 µm / Polymeric 0.5 and 1 µm

Transmembrane Pressure

tiempo(min)

0 10 20 30 40 50 60 70

Jp(L

/h/m

2 )

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2bar1bar

Membrana cerámica de 2 µm, 1110 RPM

Trencament de paret cel·lurar

49

Steam Explo-sion

X

µalgues

Vapor i additius

Extractor

Lípids

Carbohidrats (sucres)

Altres (pigments, proteïnes, etc.)

Dipòsit d’expansió

50

Analytical data on fatty acid composition of lipids of different algae.

BIOREFINERY CONCEPT

Productivitat de les microalgues

Surface: ∼5000 Ha (7x 7 km)

In the same surface of a traditional crop, an amount of 5000 Tm/year of sunflower oil would be produced

PHOTO BIO

REACTOR 1x106 Tm CO2/year

Power station (NG) 500 MWe

50% of CO2 capture

500 103 Tm/year biomass (100 Tm/Ha/year)

700 103 Tm/year Oxigen

200 103 Tm/year water (+ N, P, other nutrients)

53

Diagrama de procés per a aprofitar fums de xemeneia

Balanç d’energia en la producció de microalgues

• Radiació solar mitjana anual en climes temperats:

250 W/m2 ≡ 2190 kWh /m2/any

• Si el rendiment fotosintètic màxim és del 5% i l’energia continguda en la biomassa (seca) produïda és de ∼ 20 MJ/kg,

54

• Costos de producció per tona ∼ 6-15 103 € (costos dels reactors però, sobretot, del sistema de recol·lecció)

• Objectiu 400 – 600 €/tona de biomassa seca (s’utilitzen tecnologies típiques de tractament d’aigües, però cal re-enfocarles cap objectius diferents) – S’han de reduir els costos del reactor i de la seva operació – L’escalat (i certa automatització) fa reduir molt els costos

laborals – S’han d’utilitzar gasos de fumeres (CO2 i NOx) com a font de

CO2

– Es poden utilitzar aigües residuals (o mescles) com a base per a fertilitzants

55

Aspectes econòmics

Sponsors:

Financed by: