Producción de biogás a partir de biomasa de la microalga scenedesmus sp. procedente de diferentes procesos

En este trabajo de Tesis Doctoral se ha estudiado la posibilidad de emplear las microalgas, concretamente el género Scenedesmus, como sustrato para la producción de biogás mediante digestión anaerobia, así como los residuos que se producen como consecuencia de su utilización industrial para diferentes fines. La utilización de las microalgas para la producción de biocombustibles es un tema de gran actualidad científica, en el que residen muchas expectativas para la producción a gran escala de biocombustibles que supongan una alternativa real a los combustibles fósiles. Existen numerosas investigaciones sobre la conversión a biogás de las microalgas, sin embargo aún hay poco conocimiento sobre la utilización de la digestión anaerobia como tratamiento de residuos de microalgas en un concepto de biorrefinería. Residuos que pueden ser generados tras la extracción de compuestos de alto valor añadido (p. ej. aminoácidos) o tras la generación de otro biocombustible (p. ej. biodiésel). Es en este aspecto en el que esta Tesis Doctoral destaca en cuanto a originalidad e innovación, ya que se ha centrado principalmente en tres posibilidades: - Empleo de Scenedesmus sp. como cultivo energético para la producción de biogás. - Tratamiento de residuos de Scenedesmus sp. generados tras la extracción de aminoácidos en un concepto de biorrefinería. - Tratamiento de los residuos de Scenedesmus sp. generados tras la extracción de lípidos en un concepto de biorrefinería. Los resultados obtenidos demuestran que la microalga Scenedesmus como cultivo energético para producción de biogás no es viable salvo que se empleen pretratamientos que aumenten la biodegradabilidad o se realice codigestión con otro sustrato. En este último caso, la chumbera (Opuntia maxima Mill.) ha resultado ser un sustrato idóneo para la codigestión con microalgas, aumentando la producción de biogás y metano hasta niveles superiores a 600 y 300 L kgSV-1, respectivamente. Por otro lado, el tratamiento de residuos generados tras la extracción de aminoácidos mediante digestión anaerobia es prometedor. Se obtuvieron elevados rendimientos de biogás y metano en las condiciones de operación óptimas (409 y 292 L kgSV-1, respectivamente). Aparte de la generación energética por medio el metano, que podría emplearse en la propia biorrefinería o venderse a la red eléctrica o de gas natural, reciclando el digerido y el CO2 del biogás se podría llegar a ahorrar alrededor del 30% del fertilizante mineral y el 25% del CO2 necesarios para el cultivo de nueva biomasa. Por lo tanto, la digestión anaerobia de los residuos de microalgas en un concepto de biorrefinería tiene un gran potencial y podría contribuir en gran medida al desarrollo de esta industria. Por último, una primera aproximación al tratamiento de residuos generados tras la extracción de lípidos muestra que éstos pueden ser empleados para la producción de biogás, como monosustrato, o en codigestión con glicerina, ya que son fácilmente biodegradables y el rendimiento potencial de metano puede alcanzar 218 LCH4 kgSV-1 y 262 LCH4 kg SV-1 en monodigestión o en codigestión con glicerina, respectivamente. ABSTRACT This PhD thesis explores the possibility of using microalgae, specifically the strain Scenedesmus, as substrate for biogas production through anaerobic digestion, as well as the residues generated after its use in different industrial processes. The use of microalgae for biofuels production is an emerging scientific issue. The possibility of producing biofuels from microalgae as a real alternative for fossil fuels is raising high expectations. There are several research projects on the conversion of microalgae to biogas; however, there is little knowledge about using anaerobic digestion for treating microalgae residues in a biorefinery scheme. These residues could be generated after the extraction of high value compounds (e.g. amino acids) or after the production of another biofuel (e.g. biodiesel). It is in this area in which this PhD thesis stands in terms of originality and innovation, since it has focused primarily on three possibilities: - The use of Scenedesmus sp. as an energy crop for biogas production. - Treatment of amino acid extracted Scenedesmus residues generated in a biorefinery. - Treatment of lipid extracted Scenedesmus residues generated in a biorefinery. The results obtained in this work show that the use of Scenedesmus as energy crop for biogas production is not viable. The application of pretreatments to increase biodegradability or the codigestion of Scenedesmus biomass with other substrate can improve the digestion process. In this latter case, prickly pear (Opuntia maxima Mill.) is an ideal substrate for its codigestion with microalgae, increasing biogas and methane yields up to more than 600 and 300 L kgVS-1, respectively. On the other hand, the treatment of residues generated after amino acid extraction through anaerobic digestion is promising. High biogas and methane yields were obtained (409 y 292 L kgVS-1, respectively). Besides the energy produced through methane, which could be used in the biorefinery or be sold to the power or natural gas grids, by recycling the digestate and the CO2 30% of fertilizer needs and 25% of CO2 needs could be saved to grow new microalgae biomass. Therefore, the anaerobic digestion of microalgae residues generated in biorefineries is promising and it could play an important role in the development of this industry. Finally, a first approach to the treatment of residues generated after lipid extraction showed that these residues could be used for the production of biogas, since they are highly biodegradable. The potential methane yield could reach 218 LCH4 kgVS-1 when they are monodigested, whereas the potential methane yield reached 262 LCH4 kgVS-1 when residues were codigested with residual glycerin.

Influencia de la dormancia invernal en la producción de biomasa lignocelulósica

Conferencia

Viabilidad de una planta de biomasa forestal para la producción de energía eléctrica

Este Proyecto estudia la implantación de una central termoeléctrica para la generación de energía en la provincia de Orense. Se trata de una instalación que hace uso de biomasa forestal con el fin de producir energía eléctrica renovable de una manera responsable. En primer lugar se estudia en profundidad la disponibilidad de la biomasa presente en la región que dará lugar al emplazamiento de la instalación, en pos de una posterior toma de decisión acerca del correcto dimensionamiento de la planta, así como la ubicación óptima de la misma. Se ha logrado dar una alternativa a la dependencia energética a partir de una energía renovable limpia, como la cadena integrada de producción eléctrica. Considerando con rigor tanto las políticas de globalización regionales como internacionales orientadas a lograr un desarrollo sostenible y a la lucha contra el cambio climático, como la cadena integrada de producción eléctrica. Una vez puestos en situación, se analiza las diferentes técnicas utilizadas para el aprovechamiento energético con la biomasa disponible. Se trata de encontrar la mejor alternativa capaz de optimizar los recursos energéticos de la zona para la generación de energía eléctrica. Abstract This project is based on the study of a power plant located in the province of Ourense and its fundamental target is aimed to the generation of electricity. The importance of this plant is its commitment within renewable resources that enhance the use of forest biomass in order to produce electrical power in a responsible way. In the first place, it is necessary to deeply investigate the characteristics of the available biomass present in the place of interest, which will define the size and location of the power plant. This project gives an alternative to the energetic dependence from a renewable point of view, considering rigorously globalized politics intended for a sustainable energetic progress within the introduction of ambitious measures against climate change.

Cultivo del centeno para producción de biomasa con fines térmicos.

Análisis de la orientación del cultivo de centeno para producir biomasa térmica.

Proyecto básico de una planta de biomasa

El objetivo principal de este proyecto se basa en el estudio y diseño de una planta de generación eléctrica mediante biomasa de 5 MW de capacidad, que en nuestro caso, debido a la gran cantidad de viñedo existente en la zona sur de Burgos, serán los residuos procedentes de las explotaciones vitivinícolas, principalmente sarmientos de poda. El objetivo del proyecto de generación eléctrica con biomasa procedente de los residuos vitivinícolas, es contribuir al desarrollo económico y medio ambiental en la región sur de Burgos, a través de la operación integral de una planta de generación de energía. Abstract This project was prompted for studying and designing of an electric generation plant through biomass with 5 MW capacity. In this case, combustible would be waste coming from agricultural exploitation, due to the huge quantity of vineyards in the studied area, mainly vine shots. The objective is going to be generation of electricity through biomass coming from vineyards waste, contributing to economic and environmental development in south area of Burgos, through the integral operation of an electric generation plant.

Aprovechamiento del cardo (Cynara cardunculus L.) para la producción de biomasa lignocelulósica, aceite y forraje verde

Aprovechamiento del cardo (Cynara cardunculus L.) es una especie perteneciente a la familia de las Compuestas (Asteraceae) lo mismo que el cártamo o el girasol. es una especie vivaz gracias a sus yemas de recambio que posee en el cuello de la raíz estando muy bien adaptada a las condiciones del clima mediterráneo de veranos secos y calurosos.

Cosecha y almacenamiento de la biomasa de sorgo

Experiencias de demostración sobre cosecha y almacenamiento de biomasa de sorgo. En el marco del proyecto europeo LogistEC, el 24 de septiembre se realizó en Talayuela (Cáceres) una reunión técnica y jornada demostrativa de cultivos energéticos, donde se ensayó un prototipo para la cosecha de sorgo biomasa.

Estimación de biomasa forestal mediante el uso de imágenes radar.

La importancia de la Biomasa a nivel mundial, ha llevado a que más de 130 países celebren el protocolo de Kioto sobre el cambio climático dictaminando como objetivo la reducción de las emisiones de seis gases de efecto invernadero y tres gases industriales fluorados, así como la incorporación de la fijación del CO2 como un objetivo dentro de los criterios de gestión de bosques. Entre las metodologías no destructivas para estimación de biomasa, aquí desarrolladas se describen tres técnicas que varios autores han propuesto para calcular los valores de biomasa y carbono, tal como el uso de ecuaciones alométricas por medio de la medición de variables dasométricas como el DAP, la aplicación de la teoría de huecos (v.g. DHP, TRAC), y la obtención de biomasa mediante información radar. Las imágenes radar proporcionan una clara ventaja al poder ser adquiridas en cualquier momento del día e independientemente de las condiciones climatológicas. Se han adquirido dos imágenes de sensores diferentes, tal como ALOSPALSAR que trabaja en la banda L y RADARSAT-2 que trabaja en la banda C, se aplica la metodología descrita por Saatchi et al. (2007), desarrollando los algoritmos semiempíricos propuestos para la estimación de biomasa del fuste (Ws) y biomasa de la copa (Wc), obteniendo los coeficientes a partir de información adquirida en campo. ABSTRACT The importance of biomass worldwide has led to more than 130 countries to celebrate the Kyoto Protocol, aimed at reducing emissions of six greenhouse gases and three fluorinated industrial gases, and the incorporation of the fixation of CO2 as an objective within forest management criteria. Among the non-destructive methods for estimating biomass, three techniques were developed. These have been described by some authors, as the use of allometric equations by measuring forest variables such as the DAP, the application of the Gap Theory (e.g. DHP, TRAC), as well as deriving biomass by radar information. The radar images provide a clear advantage since they can be gathered at any time of the day regardless of the weather conditions. For this purpose, two radar products have acquired from different sensors, such as ALOSPALSAR operating on L frequency band and RADARSAT-2 operating on C frequency band. The methodology applied in this work is described in Saatchi et al. (2007), that develop semiempirical algorithms for estimating stem biomass (Ws) and crown biomass (Wc). The corresponding coefficients are determined by means of regression procedures using field information derived from allometric and radiation measurements.

El potencial de la biomasa en España. Condicionantes para su desarrollo y viabilidad económica

El sector español de la biomasa es tremendamente amplio y heterogéneo, al ser un sector muy vinculado a otros sectores productivos profundamente arraigados en nuestro país, como son el agrícola, el forestal y el ganadero. La cercanía a estos sectores, y en general al medio rural, lo convierten en un sector que despierta gran interés entre los agricultores, los propietarios forestales, los ganaderos y entre los empresarios que gestionan explotaciones agroindustriales, agroganaderas, alimentarias y forestales, entre otras. Se trata de un valioso tejido productivo fuertemente vinculado al medio rural y con un significativo potencial tractor en términos de actividad económica y creación de empleo estable. Las biomasas que se generan en todos los ámbitos mencionados pueden ser valorizadas energéticamente, con lo que en el caso de tratarse de residuos (agrícolas, forestales, ganaderos, industriales, etc.) esta transformación en energía permite convertir un residuo en un recurso, en este caso energético, que de no ser valorizado sería potencialmente contaminante si fuera abandonado o enterrado, o bien podría quemarse incontroladamente provocando la destrucción de grandes masas forestales, hábitats, y cobrándose incluso vidas humanas.

Situación actual y perspectivas de la biomasa para generación eléctrica

La valorización energética de las biomasas para generar electricidad continúa sin desarrollarse como debiera en España a pesar de los esfuerzos que se están haciendo porque el sector se haga fuerte de una vez por todas. Todos queremos que esta eterna promesa renovable se convierta en una realidad tangible a corto plazo.

Biomasa: capacidad de adaptación máxima

La prueba constatable de que la limitación de las horas de producción para las instalaciones de biomasa es una medida especialmente negativa dado el carácter industrial de las mismas, podemos encontrarla en la cogeneración con gas.

¿Quién manda en la biomasa?

El trato desconsiderado que se está teniendo con la biomasa se ha hecho más evidente desde el momento en que se decretó la moratoria a las renovables y con la sucesión de normas que culminará con la ‘orden de estándares’.

Convocatoria de 200 MW de biomasa. Sí, pero...

Lo que el sector está demandando es que exista una verdadera estrategia española por la biomasa, con una clara apuesta por la bioenergía, dado el valor añadido medioambiental y socioeconómico que es capaz de aportar.

Respuestas anatómico fisiológicas frente a estrés hídrico en plantaciones de especies de crecimiento rápido para la producción de biomasa

El objetivo general de la presente Tesis es identificar algunas de las características anatómico-fisiológicas que confieren la capacidad de alcanzar una mejor productividad bajo clima mediterráneo a plantas de diversos genotipos de los géneros Populus y Eucalyptus, caracterizados por su carácter pionero, elevado crecimiento y vulnerabilidad a la cavitación. En los dos primeros capítulos se hace un seguimiento de la conductancia estomática a una selección de clones de eucalipto cultivados en invernadero, sometidos a diferentes dotaciones hídricas. Se realizaron además mediciones periódicas del pH de la savia del tallo y de la pérdida de conductividad hidráulica para investigar su implicación en la regulación química e hidraúlica del cierre estomático. Las variaciones en el pH de la savia obtenidas parecen responder a cambios en el déficit de presión de vapor de agua atmosférico y no a diferencias en la disponibilidad de agua en el suelo. La conductancia estomática presentó una correlación positiva significativa con el pH de la savia, pero no con la conductividad hidráulica. La variabilidad de la conductividad hidráulica máxima se discute a la luz de recientes investigaciones sobre los materiales constituyentes de las membranas de las punteaduras. Los clones que mostraron mayores conductancias hidráulicas y estomáticas presentaron valores más altos de producción y supervivencia, poniendo de manifiesto la utilidad del estudio de estas variables. Por el contrario, los valores más bajos de conductancia estomática e hidraúlica se encontraron en clones que han resultado un fracaso en plantaciones comerciales, en particular, fue destacable el mal resultado de un clon procedente de autocruzamiento respecto de otros híbridos. En el tercer capítulo de la tesis se estudian características anatómicas y funcionales del xilema relacionadas con la eficiencia en el transporte de agua a las hojas, y que pueden afectar directa o indirectamente a la transpiración y al crecimiento. Los estudios anatómicos fueron realizados sobre brotes anuales de chopo en una plantación situada en Granada, en condiciones de riego limitante. La combinación de rasgos anatómicos más favorable de cara a la producción de biomasa fue una densidad alta de vasos de diámetro intermedio. Los clones más productivos figuraron entre los más resistentes a la cavitación. Para estudiar el crecimiento de masas arboladas se utilizan frecuentemente parámetros fisiológicos como el índice de area foliar (LAI). La estimación del LAI a partir de fotografías hemisféricas aplicada a tallares de chopo plantados a alta densidad y a turno corto para biomasa se lleva a cabo mediante una metodología reciente empleada y discutida en el cuarto capítulo de la Tesis. Los resultados muestran que las diferencias de producción existentes entre genotipos, localidades de medición con diferentes dosis de riego, y años, pueden predecirse a partir de la determinación del índice de área foliar tanto por métodos directos como indirectos de estimación. Tanto los estudios realizados en eucalipto como en chopo han mostrado que los genotipos con menores producciones de biomasa en campo alcanzaron los menores valores de conductancia estomática en las condiciones más favorables así como el menor número de vasos en el xilema. La estrecha relación entre crecimiento y LAI confirma una vez más la importancia del desarrollo de la copa para sostener un buen crecimiento. El mayor desarrollo de la copa y rendimiento en biomasa se midieron en uno de los clones con un número de vasos más elevado, y menor vulnerabilidad a la cavitación en condiciones de estrés. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia de las características anatómicas y funcionales del xilema como condicionantes del patrón de crecimiento de las plantas y el comportamiento de los estomas. ABSTRACT A number of anatomical xylem traits and physiological variables were analyzed in genotypes of both the Populus and Eucalyptus genera with the main aim of identifying traits in the genotypes which confer the ability to produce an acceptable biomass yield under Mediterranean climatic conditions. In the first two chapters of this PhD, the results of two experiments carried out on several clones of the species Eucalyptus globulus Labill. are presented. Chapters three and four include the results of another two trials on four poplar hybrid genotypes. One of the initial plant responses to water stress is stomatal closure, which can be triggered by hydraulic and/or chemical signals. The two first chapters of this PhD deal with trials in which stomatal conductance and percentage loss of hydraulic conductivity were monitored on a set of eucalyptus clones supplied by ENCE (former National Cellulose Company) and currently used in the company’s own commercial plantings. The experimental trials were carried out in greenhouses and the plants were submitted to two different watering regimes. The pH of the stem sap was periodically measured as the greenhouse temperature and humidity changed. The aim of these measurements was to investigate the role of both sap pH and percentage loss of hydraulic conductivity on stomatal regulation. The results obtained suggest that changes in sap pH are a response to vapor pressure deficit changes rather than to differences in soil water availability. We found significant correlation between stomatal conductance and sap pH, although no significant relationship was found between stomatal conductance and hydraulic conductivity. Variability in maximum hydraulic conductivity is discussed based on recent pit membrane constituent research. The study of hydraulic conductivity proved helpful in order to detect the clones with both higher growth and greater chance of survival, since clones displaying the lowest hydraulic conductivities were those that failed in commercial plantings. Anatomical xylem traits define the water transport efficiency to leaves and can therefore limit transpiration and growth. The third chapter of this PhD addresses anatomical xylem traits in poplar. One year old stem samples were taken from a water-stressed trial in Granada. The anatomical xylem study proved useful for detecting the lowest yielding genotypes. Clones with intermediate vessel size and high vessel densities were found to be those with the highest biomass yield. Differences in cavitation resistance depending on the clone tested and the water treatment applied were also found. The clones with the highest biomass yield were found to be among the most cavitation resistant clones in each watering regime. Xylem and physiological traits along with stomatal behavior are useful tools to determine plant growth. In order to study plantings or forests, it is more common to employ other physiological variables such as leaf area index (LAI). LAI estimation from hemispherical photographs applied to short rotation woody crops is a recently developed method that still requires fine tuning through further investigation. In the fourth chapter, data from LAI monitoring over two consecutive years were analyzed in two different locations where different irrigation treatments were applied. The results showed that differences in yield between genotypes, different irrigation regimes and years could be predicted by using the LAI estimates, either through direct or indirect estimation methods. Our studies of poplar and eucalyptus have shown that the field-grown genotypes with the lowest biomass yield displayed the lowest values of stomatal conductance under the most favorable environmental conditions and also had a low number of xylem conduits. The close relationship between LAI and growth highlights the importance of crown development in biomass growth. The highest LAI and biomass yield were recorded in one of the clones with higher vessel density and the lowest vulnerability to cavitation under stress conditions. These results underline the importance of research into anatomical and functional traits as factors influencing plant growth patterns and stomatal behavior.

Análisis tecno-económico del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por la vía termoquímica

El butanol es hoy en día en uno de los compuestos químicos más importantes en el mundo a causa de sus numerosas aplicaciones, entre las que destacan la producción de acrilato de butilo, acetato de butilo y éter de glicol (industrias de pinturas y recubrimientos). Junto a sus aplicaciones actuales, el butanol está adquiriendo una gran importancia dentro del sector de los biocombustibles, debido a su futuro prometedor como sustituto de los combustibles convencionales o para mezcla. Todo ello está moviendo a la industria química a establecer nuevas plantas de producción de butanol para satisfacer su creciente demanda. Los procesos actuales de producción de butanol se centran en dos vías: vía fermentativa y vía petroquímica. A pesar de su rentabilidad y competencia, estos procesos están limitados por múltiples factores, destacando las limitaciones en materias primas disponibles y asociadas al empleo de microorganismos en los procesos fermentativos, así como el precio del petróleo y sus derivados en los procesos petroquímicos. En la actualidad, numerosas investigaciones están desarrollando nuevos procesos de producción de butanol por rutas termoquímicas. El éxito de estas investigaciones permitiría su producción por métodos alternativos a los procesos “tradicionales”, salvando muchas de las limitaciones que presentan. El proceso de producción de butanol por vía termoquímica se basa en la transformación de biomasa lignocelulósica en gas de síntesis mediante un tratamiento termoquímico (gasificación), y su posterior conversión en butanol mediante una etapa de reacción catalítica. La principal limitación que ha impedido la viabilidad de esta ruta ha sido la falta de desarrollo en los catalizadores empleados para la síntesis de butanol a partir de gas de síntesis. Su desarrollo mejorando la selectividad hacia el butanol, será la clave para el éxito de la vía termoquímica de producción de butanol. En base a lo comentado anteriormente, en el presente Proyecto Fin de Carrera (PFC) se analiza la viabilidad tecno-económica del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica. La consecución de este objetivo se ha logrado mediante la aplicación de una metodología en tres pasos: estudio del proceso, simulación del proceso y evaluación económica. En primer lugar, se ha realizado un estudio detallado del proceso de producción de butanol a partir de biomasa lignocelulósica por vía termoquímica desarrollado por Chinedu O. Okoli y Thomas A. Adams II (Universidad de McMaster, Canadá), a fin de comprender las etapas que constituyen el proceso. Mediante este estudio, se ha conseguido conocer las condiciones de operación de las diferentes unidades que integran el proceso. En segundo lugar, se ha evaluado la viabilidad técnica del proceso mediante el empleo del software Aspen Plus V8.6. La simulación se ha realizado en base a la información obtenida en el estudio preliminar. Por último, se ha analizado la viabilidad económica del proceso mediante el cálculo de los parámetros de viabilidad Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR). Para la determinación de estos parámetros se ha realizado el flujo de cajas del proceso en base a la estimación de sus ingresos, costes de producción y capital total de inversión requerido. Junto al análisis de viabilidad, se han llevado acabo distintos análisis de sensibilidad a las variables más influyentes en la rentabilidad del proceso (interés del préstamo, precio de venta del butanol, precio de venta de la mezcla de alcoholes y precio de compra de la biomasa). Las principales conclusiones que se pueden extraer del análisis realizado son las siguientes: - A través del análisis técnico se concluye que el proceso de producción de butanol por vía termoquímica es viable técnicamente, ya que existe la tecnología requerida para su implantación, así como presenta aceptables tasas de producción de butanol (82,52 kg/tonelada biomasa seca) y es posible integrar un ciclo de vapor y generación de electricidad en el proceso. Además, el margen de mejora de este proceso es amplio, siendo el catalizador requerido para la síntesis del butanol el principal foco de mejora. - En cuanto a la rentabilidad del proceso, el análisis económico muestra que el proceso de producción de butanol por vía termoquímica es viable económicamente. Sin embargo, el estudio realizado demuestra que, en el estado de desarrollo actual, los ingresos asociados a la venta del butanol son insuficientes para hacer rentable el proceso, siendo necesario tener acceso a mercados para la venta de los subproductos generados.