OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA … · tu amor y comprensión me han permitido llegar hasta esta meta. A mi hijo Samuel, que ha sido mi compañía y por quien es

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR

BIOMASA PROVENIENTE DE MICROALGAS

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA QUIMICA

AUTOR: SABRINA ESTHER MERA PROAÑO

QUITO

2015

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA



TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA QUIMICA

AUTOR: SABRINA ESTHER MERA PROAÑO

TUTOR: ING. RICARDO ANDRÉS NARVÁEZ CUEVA

QUITO

2015

iii

APROBACIÓN DEL TUTOR

En calidad de tutor, luego del estudio y el análisis realizado sobre el trabajo de grado presentado

por la Señorita SABRINA ESTHER MERA PROAÑO que titula OPTIMIZACIÓN DEL

PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR BIOMASA PROVENIENTE DE

MICROALGAS, sobre el particular informo que el trabajo de grado tiene valor académico y

utiliza conocimientos de la Ingeniería Química que han resuelto el problema y los objetivos

planteados, por lo que declaro mi conformidad con el mismo.

En la ciudad de Quito, a los 05 días del mes de septiembre del 2014.

Ing. Ricardo A. Narváez C.

Profesor Tutor

iv

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, SABRINA ESTHER MERA PROAÑO en calidad de autor del trabajo de grado realizado

sobre OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA SEPARAR

BIOMASA PROVENIENTE DE MICROALGAS, por la presente autorizo a la

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos. Que me

pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de

investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5,

6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito, a los 05 días del mes de septiembre del 2014

___________________________________________

SABRINA ESTHER MERA PROAÑO

C.I.: 1720257698

[email protected]

mailto:[email protected]

v

DEDICATORIA

A mis padres, que supieron guiarme en todo momento,

sembrando en mi vida su esfuerzo ejemplar y su dedicación.

A mi esposo Julio por su apoyo incondicional,

tu amor y comprensión me han permitido llegar hasta esta meta.

A mi hijo Samuel, que ha sido mi compañía

y por quien es toda mi dedicación y esfuerzo.

A mi hermana Fernanda por brindarme su ayuda

en el tiempo que necesite.

vi

AGRADECIMIENTOS

A Dios, mi Padre celestial y mi fortaleza, que me ha concedido el regalo de la vida, y todo lo

que en ella he podido disfrutar, a él toda la gloria y honra.

A esta prestigiosa Universidad que me abrió las puertas y proveyó de los conocimientos

necesarios para hacer realidad mí anhelo de ser Ingeniera Química.

A la Facultad de Ingeniería Química por su acertada labor en la formación de profesionales de

excelencia.

Al Ing. Ricardo Narváez coautor de este trabajo y buen compañero, gracias por todo tu apoyo y

dirección.

Al INER por su apertura y apoyo en la realización de este trabajo de graduación.

A mis Padres, mi Esposo y familiares que siempre estuvieron a mi lado encaminándome para

culminar con éxito este sueño tan anhelado.

vii

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………….. xii

LISTA DE CUADROS…………………………………………………………………….. xv

LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………………… xvi

LISTA DE GRÁFICOS……………………………………………………………………. xvii

RESUMEN…………………………………………………………………………………. xix

ABSTRACT………………………………………………………………………………… xx

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………... 1

1. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………. 2

1.1. Microalgas. ……………………………………………………………………………. 2

1.1.1. Microalga Chlorella sp. …………………………………………………………… 4

1.1.2. Efecto de la temperatura en las microalgas. ……………....................................... 5

1.1.3. Efecto de cambios de pH en la microalgas.................................................................

1.1.4. Ventajas del uso de las microalgas como biomasa y sus aplicaciones.....................

5

5

1.1.5. Determinación cuantitativa de microalgas. ............................................................... 8

1.2. Biodiesel........................................................................................................................... 9

1.2.1. Propiedades del biodiesel. ......................................................................................... 9

1.2.2. Producción de biodiesel a partir de microalgas........................................................ 10

1.2.3. Reacción de transesterificación. ............................................................................... 12

1.3. Técnicas de recuperación de biomasa.......................................................................... 12

1.3.1. Floculación.................................................................................................................. 13

1.3.2. Filtración..................................................................................................................... 15

1.4. Centrifugación................................................................................................................ 15

1.4.1. Centrífuga..................................................................................................................... 17

1.4.2. Tipos de centrífugas…................................................................................................... 17

1.4.3. Especificaciones técnicas de la centrífuga del laboratorio. …................................... 18

1.5. Energía............................................................................................................................ 19

viii

1.5.1. Fuentes y tipos de energía. .......................................................................................... 19

1.5.2 Situación actual del consumo de energía. .................................................................... 21

1.6. Biomasa como recurso energético….............................................................................. 22

1.6.1. Clasificación de biomasa….......................................................................................... 22

1.6.2. Cultivos energéticos….................................................................................................. 23

2. MATERIALES Y MÉTODOS…....................................................................................... 24

2.1. Diagrama del proceso experimental…............................................................................. 24

2.1.1. Descripción del proceso experimental…...................................................................... 25

2.2. Materiales y equipos........................................................................................................ 25

2.3. Sustancias y reactivos….................................................................................................. 26

2.4. Procedimiento experimental............................................................................................. 27

2.4.1. Procedimiento del conteo microcelular….................................................................... 27

2.4.2. pH y temperatura del cultivo......................................................................................... 27

2.4.3. Centrifugación............................................................................................................. 28

2.4.4. Secado de biomasa...................................................................................................... 29

2.4.5. Procedimiento para el análisis de centrifugación....................................................... 29

2.5. Diagrama de flujo del proceso experimental.................................................................. 31

3. DATOS EXPERIMENTALES........................................................................................... 32

3.1. Determinación de ensayos para el análisis de centrifugación…...................................... 32

3.2. Datos obtenidos de la centrifugación del cultivo de microalgas...................................... 32

3.2.1. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A1…......................... 33

3.2.2. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A2............................. 33

3.2.3. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A3............................. 33

3.2.4. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B1............................. 34




3.2.8. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C1............................. 35

3.2.9. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C2............................. 35

3.2.10. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C3........................... 36

3.2.11. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C4........................... 36

3.2.12. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D1.......................... 36




ix

3.2.16. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E1........................... 38




3.2.20. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F1........................... 39




3.2.24. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G1.......................... 40




3.2.28. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H1.......................... 42




3.3. Datos técnicos de consumo de energía de la centrifugadora........................................... 43

3.3.1. Datos de potencia y potencial eléctrico de la centrifugadora...................................... 43

3.4. Datos del cargo tarifario según CONELEC..................................................................... 43

3.5. Datos del poder calórico de algunas sustancias: ............................................................. 44

3.6. Datos de masa y volumen del cultivo de microalgas....................................................... 44

4. CÁLCULOS....................................................................................................................... 45

4.1. Cálculo para la densidad celular...................................................................................... 45

4.1.1. Cálculo del promedio de células de microalgas contadas.......................................... 45

4.1.2. Cálculo de la densidad celular. .................................................................................. 45

4.2. Cálculo de la cantidad de biomasa separada por centrifugación. .................................... 46

4.2.1. Cálculo de la biomasa separada en cada ensayo de centrifugación............................ 46

4.2.2 Cálculo del promedio de biomasa separada. ................................................................ 46

4.3 Cálculo del rendimiento de centrifugación en tanto por ciento........................................ 46

4.4. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica.......................................................... 47

4.4.1. Cálculo del consumo de energía en kWh...................................................................... 47

4.4.2. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica...................................................... 48

4.5. Cálculo del factor para determinación de biomasa en función del volumen de

muestra...................................................................................................................................... 48

4.6 Cálculo de la cantidad de aceite contenido en la biomasa separada................................ 48

4.7 Cálculo de la cantidad de energía producida por cada gramo de aceite obtenido............. 49

x

4.7.1. Cálculo de la energía del aceite producido.................................................................. 49

4.7.2. Cálculo de la energía en kWh del aceite producido.................................................... 49

4.8. Cálculo del factor de conversión de volumen de cultivo a energía producida en

kwh............................................................................................................................................ 50

4.9. Cálculos para optimizar el proceso de centrifugación..................................................... 50

4.9.1. Determinación del volumen óptimo a centrifugar........................................................ 50

4.9.2. Cálculo de la densidad del cultivo de micro algas....................................................... 50

4.9.3. Cálculo de la masa del cultivo para el volumen óptimo de centrifugación.................. 51

4.9.4. Determinación de la factibilidad de centrifugar el volumen óptimo............................ 51

5. RESULTADOS................................................................................................................... 53

5.1. Resultados de la densidad celular, biomasa separada y rendimiento de

centrifugación............................................................................................................................ 53

5.1.1. Resultados para el ensayo A1....................................................................................... 53



5.1.4. Resultados para el ensayo B1....................................................................................... 54




5.1.8. Resultados para el ensayo C1....................................................................................... 55

5.1.9. Resultados para el ensayo C2....................................................................................... 56

5.1.10. Resultados para el ensayo C3..................................................................................... 56

5.1.11. Resultados para el ensayo C4..................................................................................... 56

5.1.12. Resultados para el ensayo D1..................................................................................... 57




5.1.16. Resultados para el ensayo E1..................................................................................... 58




5.1.20. Resultados para el ensayo F1..................................................................................... 59




5.1.24. Resultados para el ensayo G1..................................................................................... 61

xi

5.1.25. Resultados para el ensayo G2.................................................................................... 61



5.1.28. Resultados para el ensayo H1..................................................................................... 62




5.2. Resultados del promedio de biomasa separada................................................................ 63

5.3. Resultados del promedio de rendimiento de separación por centrifugación.................... 64

5.3.1. Diagramas de los resultados de centrifugación. .......................................................... 65

5.3.2. Análisis de separación de biomasa por centrifugación................................................. 68

5.4. Resultados de la energía producida de la biomasa y energía cinética necesaria para la

centrifugación........................................................................................................................... 72

6. DISCUSIÓN...................................................................................................................... 75

7. CONCLUSIONES............................................................................................................ 78

8. RECOMENDACIONES................................................................................................... 80

CITAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................... 81

BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................... 82

ANEXOS................................................................................................................................... 84

xii

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Nomenclatura para el análisis de centrifugación.................................................... 32

Tabla 2. Conteo celular y biomasa del ensayo A1................................................................ 32



Tabla 5. Conteo celular y biomasa del ensayo B1................................................................ 33





Tabla 10. Conteo celular y biomasa del ensayo C2................................................................ 35



Tabla 13. Conteo celular y biomasa del ensayo D1............................................................... 36




Tabla 17. Conteo celular y biomasa del ensayo E1............................................................... 38




Tabla 21. Conteo celular y biomasa del ensayo F1............................................................... 39




Tabla 25. Conteo celular y biomasa del ensayo G1............................................................... 40



xiii


Tabla 29. Conteo celular y biomasa del ensayo H1............................................................... 42




Tabla 33. Datos de la centrifugadora...................................................................................... 43

Tabla 34. Datos del cargo tarifario......................................................................................... 43

Tabla 35. Poder calórico de algunos aceites........................................................................... 44

Tabla 36. Masa y volumen del cultivo de microalgas............................................................ 44

Tabla 37. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A1........ 53



Tabla 40. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B1........ 54




Tabla 44. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C1........ 55




Tabla 48. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D1........ 57




Tabla 52. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E1........ 58




Tabla 56. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F1........ 59




Tabla 60. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G1........ 61




xiv

Tabla 64. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H1........ 62




Tabla 68. Promedio de biomasa separada para cada ensayo.................................................. 63

Tabla 69. Promedio del porcentaje de separación por centrifugación.................................... 64

Tabla 70. Rendimiento de separación promedio por centrifugación...................................... 68

Tabla 71. Cálculo de la función teórica para t1 de la separación por centrifugación............. 69

Tabla 72. Cálculo de la función teórica para t2 de la separación por centrifugación............. 70

Tabla 73. Tabla de resultados de energía producida y energía necesaria para la

centrifugación de biomasa. .................................................................................................... 72

xv

LISTA DE CUADROS

Pág.

Cuadro 1. Clasificación de las microalgas............................................................................. 2

Cuadro 2. Contenido de aceite en microalgas........................................................................ 3

Cuadro 3. Datos de área necesaria para producir biodiesel.................................................... 6

Cuadro 4. Composición de algunas especies de microalgas.................................................. 7

Cuadro 5. Propiedades del biodiesel...................................................................................... 10

Cuadro 6. Especificaciones técnicas de la centrífuga............................................................. 18

xvi

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Metabolismo de una microalga............................................................................... 3

Figura 2. Microalgas Chlorella cultivada en el laboratorio del

INER..................................... 4

Figura 3. Biorefinería de algas............................................................................................... 7

Figura 4. Tipos de bioenergía producida por microalgas....................................................... 8

Figura 5. Cámara de conteo celular de neubauer................................................................... 9

Figura 6. Proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas.................................... 11

Figura 7. Dosis de floculantes vs. Total de células removidas.............................................. 13

Figura 8. Eficacia de la eliminación de células por floculación con polímeros..................... 14

Figura 9. Eficiencia de células removidas por floculación con álcalis. ................................. 14

Figura 10. Variables que intervienen en la velocidad de sedimentación centrífuga……….. 16

Figura 11. Centrifuga por cargas de tubos del laboratorio INER.......................................... 18

Figura 12. Fuentes y tipos de energía..................................................................................... 20

Figura 13. Tipos de energía y sus transformaciones.............................................................. 21

Figura 14. Consumo mundial de energía................................................................................ 22

Figura 15. Distribución de energías renovables..................................................................... 22

Figura 16. Clasificación de la biomasa.................................................................................. 23

Figura 17. Diagrama del proceso experimental...................................................................... 25

xvii

LISTA DE GRÁFICOS

Pág.

Gráfico 1. Biomasa separa vs. Velocidad angular.................................................................. 64

Gráfico 2. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular..................................... 65

Gráfico 3. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular..................................... 66

Gráfico 4. % Rendimiento de centrifugación vs. Velocidad angular (t = 2 min.).................. 66




Gráfico 8. % Rendimiento de centrifugación promedio vs. Velocidad angular..................... 68

Gráfico 9. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico t1 vs. Velocidad

angular..................................................................................................................................... 69

Gráfico 10. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico t2 vs. Velocidad

angular..................................................................................................................................... 70

Gráfico 11. % Rendimiento de centrifugación teórico vs. Velocidad angular....................... 71

Gráfico 12. Energía (J) vs Volumen de cultivo (L)................................................................ 73

Gráfico 13. Biomasa seca (g) vs Volumen de cultivo (L)...................................................... 74

Gráfico 14. Aceite de microalgas (kg) vs. Biomasa seca (g)................................................ 74

xviii

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Cultivo 1 microalgas Chlorella sp........................................................................ 85

Anexo B. Cultivo 2 microalgas Chlorella sp......................................................................... 86

Anexo C. Cultivo escalado del cultivo 2............................................................................... 87

Anexo D. Muestras de cultivo de microalgas para centrifugar............................................. 87

Anexo E. Muestra centrifugada a 300 RPM......................................................................... 88

Anexo F. Muestra centrifugada a 400 RPM.......................................................................... 89

Anexo G. Muestra centrifugada a 500 RPM......................................................................... 90

Anexo H. Muestra centrifugada a 3500 RPM....................................................................... 91

Anexo J. Residuo líquido después de centrifugar................................................................. 91

Anexo K. Biomasa separada y seca en los tubos de centrifugación..................................... 92

Anexo L. Biomasa seca recolectada en el análisis de centrifugación................................... 93

Anexo M. Balanza analítica laboratorio INER..................................................................... 93

Anexo N. Potenciómetro laboratorio INER.......................................................................... 94

Anexo P. Microscopio laboratorio INER............................................................................. 94

Anexo Q. Datos de potencia del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio

INER...................................................................................................................................... 95

Anexo R. Datos del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio INER.................. 96

xix



RESUMEN

Determinación de las mejores condiciones de centrifugación de un cultivo de microalgas

Chorella sp. para separar biomasa como potencial recurso bioenergético.

Previo al estudio, se realizó un cultivo de microalgas hasta alcanzar la fase estacionaria y se

cuantificó la densidad celular inicial. Las variables analizadas en la centrifugación fueron la

velocidad desde 300 RPM hasta 6500 RPM, y el tiempo desde 2 min hasta 8 min. Se trabajó en

dos escenarios, en el primero se mantuvo constante la velocidad y se varió el tiempo, en el

segundo se trabajó de forma inversa. Luego de la centrifugación se caracterizó el líquido

remanente para determinar: el rendimiento de separación de biomasa con referencia a la

densidad celular inicial del cultivo, el promedio de biomasa seca obtenida, y la relación entre el

consumo de energía eléctrica del proceso de centrifugación con respecto a la cantidad teórica de

energía que se generaría de la biomasa, considerando el contenido de aceite de la microalga.

Se concluye que las mejores condiciones del proceso corresponden a 3500 RPM en un tiempo

de 2 min alcanzando un rendimiento del 98% de separación.

PALABRAS CLAVES: / CENTRIFUGACIÓN / RENDIMIENTO / SEPARACIÓN /

BIOMASA / MICROALGA CHLORELLA SP./

xx

OPTIMIZATION OF THE PROCESS OF CENTRIFUGATION TO SEPARATE

BIOMASS FROM MICROALGAE

ABSTRACT

Determining the best conditions for centrifuging of the culture of micro-algae Chorella sp. to

separate biomass as a potential bioenergetic resource.

Prior to this study, micro-algae were cultivated up until the stationary growth phase and the

initial cellular density was calculated. The variables analyzed in this centrifugal process were

velocity, from 300 RPM to 6500 RPM, and time, from 2 minutes to 8 minutes. Two scenarios

were examined. The first maintained a constant velocity but varied the time, and the second

maintained a constant time but varied the velocity. After the centrifugal process, the remaining

liquid was separated in order to determine the amount of biomass yielded in reference to the

initial cellular density of the cultivation, the average dry biomass obtained, and the relation

between the consumption of electric energy of the centrifugal process with to the theoretical of

energy that would be generated by the biomass, considering the oil content of the micro-algae.

The results conclude that the best condition for the centrifugal process is a velocity of 3500

RPM for a duration of 2 minutes, which results in a separation of 98 percent.

KEY WORDS: CENTRIFUGAL PROCESS / YIELD / SEPARATION / BIOMASS /

MICRO‐ALGAE CHLORELLA SP./

1

INTRODUCCIÓN

En la actualidad la búsqueda de nuevas fuentes de energía renovable y sustentable se ha vuelto

una prioridad en las políticas de muchos países. El denominado “oro verde” se está extendiendo

con mucha fuerza en el campo investigativo ya que se ha puesto en mira la producción de

biodiesel a partir del cultivo de microalgas, porque su reproducción es rápida, y en su

composición existe un determinado porcentaje de lípidos que pueden ser transformados en

biodiesel.

La producción de biodiesel a partir de girasol, soya o palma resulta perjudicial para el medio

ambiente puesto que ocupa y desgasta grandes cantidades de terrenos que podrían ser destinados

para la producción de alimentos versus la ventaja de cultivar microalgas en menor espacio de

cultivo y generar mayor producción de energía. De esta forma, las microalgas se han convertido

en un recurso renovable energético amigable con nuestro ecosistema, ya que favorablemente las

microalgas absorben CO2.

Al conocer que el cultivo de microalgas es un nuevo recurso bioenergético, se presenta la

necesidad de investigar las ventajas y desventajas de su uso en la producción de biodiesel, por lo

que es necesario analizando aspectos del proceso en cada etapa como energía consumida y

producida, para poder determinar la factibilidad de que esta nueva fuente de biomasa pueda ser

catalogada como un recurso energético favorable. Dentro de las etapas del procesamiento de

microalgas, es de particular importancia su cosecha, que consiste en separar la biomasa del agua

mediante operaciones como sedimentación, filtración, floculación, centrifugación, entre otras.

Cada proceso de separación tiene sus propias características, pero la centrifugación presenta

mejores resultados por su rapidez y rendimiento, pero que encuentra un limitante en la

necesidad de consumir energía para su efecto. Es por esto que se plantea determinar las mejores

condiciones en este proceso de manera que la energía consumida sea menor a la energía

producida por las microalgas, mediante el análisis de la centrifugación, manipulando las

variables de tiempo y velocidad de centrifugación, con la finalidad de lograr un alto rendimiento

de separación de biomasa con tiempo y rapidez de centrifugación mínimos reduciendo el

consumo de energía en relación a la energía que teóricamente se puede producir de la biomasa

proveniente de microalgas.

2

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Microalgas.

Las microalgas pertenecen a un grupo muy diverso de algas microscópicas unicelulares, su

elemento principal es la clorofila A. Generalmente habitan en medios acuáticos.

“Las células de microalgas puedes ser tanto procariotas como eucariotas, llegándose a establecer

más de 26000 especies distintas de microalgas conocidas, suponiendo un número mayor aún por

descubrir.”[1]

Las microalgas son los primeros microorganismos fotosintéticos, debido a su estructura

unicelular son eficientes en el uso de la luz y absorción de nutrientes, en el metabolismo de las

microalgas se absorbe CO2 y se producen lípidos que son materia prima para la producción de

biodiesel entre otros productos.

Cuadro 1. Clasificación de las microalgas

Fuente: PORTILLA, Alejandra y KOCH, Andrés. Evaluación del rendimiento de producción

de aceite en cuatro microalgas nativas. Trabajo de Grado. Ingeniero Biotecnólogo. Escuela

Superior Politécnica del Ejército. Facultad de Biotecnología. Quito. 2010. p. 5

3

Figura 1. Metabolismo de una microalga

Fuente: POSTEN, Clemens and WALTER, Christian. Microalgal Biotechnology: Potential and

Production, Printing and binding: Hubert & Co., Göttingen, Printed in Germany 2012 by Walter

de Gruyter GmbH, Berlin/Boston. p. 42

Las microalgas dependiendo del tipo y por su metabolismo pueden contener o generar distintas

cantidades de aceite.

Cuadro 2. Contenido de Aceite en microalgas

Fuente: PORTILLA, Alejandra y KOCH, Andrés. Evaluación del rendimiento de producción

de aceite en cuatro Microalgas nativas. Trabajo de Grado. Ingeniero Biotecnólogo. Escuela

Superior Politécnica del Ejército. Facultad de Biotecnología. Quito. 2010. p. 6

4

1.1.1. Microalga Chlorella sp. “Es un alga verde de forma elipsoidal, la cual crece en forma de

células simples. Pertenece a la división Chlorophyta y a la clase de las Chlorophyceae. Se ha

cultivado de forma intensiva con fines de alimentación y obtención de metabolitos. El sistema

por lote es el más utilizado a gran escala por su bajo riesgo de contaminación y fácil

implementación. Este género ha sido aplicado al tratamiento biológico de aguas residuales,

demostrando su efectividad en la remoción de nitrógeno, fósforo, demanda química de oxígeno

y metales.” [2]

Tiene forma esférica, miden de 2 a 10 μm de diámetro, y no posee flagelo.

La Chlorella contiene los pigmentos verdes fotosintetizadores clorofila-a y -b en su cloroplasto.

A través de la fotosíntesis se multiplica rápidamente, requiriendo sólo dióxido de

carbono, agua, luz solar y pequeñas cantidades de minerales para su multiplicación.

Las microalgas por su estructura y comportamiento natural son un material de cultivo factible

para la producción de biodiesel, crecen rápidamente sin mayor intervención humana, y su

contenido de aceite es relativamente alto.

Además se ha comprobado que el espacio a ocupar para su cultivo es mínimo en comparación

con el espacio necesario para el cultivo de soya, palma o girasol. Su mantenimiento y cuidado es

menos costoso que otras fuentes de biomasa.

Figura 2. Microalgas Chlorella cultivadas en el laboratorio del INER (Instituto Nacional

de Eficiencia Energética y Energías Renovables)

http://es.wikipedia.org/wiki/Metro#SI_prefijos_del_metro

http://es.wikipedia.org/wiki/Flagelo_eucariota

http://es.wikipedia.org/wiki/Pigmento

http://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis

http://es.wikipedia.org/wiki/Clorofila

http://es.wikipedia.org/wiki/Cloroplasto

http://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz_solar

http://es.wikipedia.org/wiki/Mineral

5

“Los efectos de temperatura y pH en el crecimiento de microalgas son:

1.1.2. Efecto de la temperatura en las microalgas.- Las temperaturas inferiores a 16ºC

ralentizan el crecimiento, mientras que las superiores a 35ºC son letales para algunas especies.

A una temperatura de 28ºC se ha observado un crecimiento óptimo, incluso un aumento del

nivel volumétrico de las microalgas.

1.1.3. Efecto de cambios de pH en la microalgas.- El intervalo de pH para las especies de

algas más cultivadas es entre 7 y 9, siendo la gama óptima 8.02 a 8.07. En experimentaciones,

se ha observado que al aumentar el pH de un cultivo de microalgas Chlorella, estas llegan a

unirse, como un efecto contrario a su dispersión.” [3]

1.1.4. Ventajas del uso de las microalgas como biomasa y sus aplicaciones.- “Las microalgas

tienen mayor rendimiento de crecimiento y producción de biomasa por hectárea,

aproximadamente 3,8% frente a un 0,5% que producen los cultivos energéticos convencionales

a partir de plantas terrestres como caña de azúcar, palma, maíz, etc. Requiere de 1,5 a 3,2

millones de hectáreas para satisfacer el 50% de las demandas de energéticos de transportación

en U.S.A.

Tienen una mayor capacidad de captar el CO2. Por ejemplo, por cada 100 ton de microalga

producidas, se consumen 183 toneladas de CO2.”[4]

“Son capaces de crecer en un medio líquido marino, o en aguas residuales, con lo que se

reduce el consumo de agua dulce para su producción.

Se utiliza para la biorremediación de aguas residuales municipales e industriales para el

tratamiento de nitrógeno y fósforo.

La producción de biomasa no es estacional y puede ser cosechada por lotes casi todo el año.

Las microalgas pueden ser cultivadas sin el uso de fertilizantes y pesticidas, lo cual resulta

en menos residuos y menos contaminación de la biomasa.

Las microalgas además de su utilidad como bioremediadores de aguas residuales producen

biomasa con un valor añadido generando coproductos o subproductos (por ejemplo,

proteínas, polisacáridos, pigmentos, los biopolímeros, alimentos para animales, fertilizantes,

etc.).

Es una fuente de energía en la generación de biocombustibles (combustible para aviones,

gasolina de aviación, biodiesel, gasolina y bioetanol).”[5]

La producción de algas podría ser utilizado para la fabricación de medicamentos y vacunas

por la industria farmacéutica.

6

Coproductos de la producción de biodiesel, tales como glicerol, pueden ser una entrada al

sector de la química industrial.

Una biorefinería de algas también puede producir co-productos de valor añadido que pueden

ser utilizados directa o indirectamente en la comida, en la Figura 3, se presenta un diagrama

de flujo de una biorefinería de algas.

Se pueden producir distintos tipos de bioenergía a partir de las micro y macro algas, muchos

productos pueden ser primarios, pero otros dependerán de otros procesos para su obtención

como se muestra en la figura 4.

Cuadro 3. Datos de área necesaria para producir biodiesel

a For meeting 50% of all transport fuel needs of the United States.

b 70% oil (by wt) in biomass.

c 30% oil (by wt) in biomass

Fuente: CHISTI, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances. Palmerston

North, Nueva Zelanda: ELSEVIER. p. 296

7

Figura 3. Biorefinería de algas

Fuente: GORDON, Richard and SECKBACH, Joseph, The Science of Algal Fuels, Ficología,

Geología, Biofotónica, Genómica y Nanotecnología. Editorial Springer, Nueva York, 2012. p.

27.

Cuadro 4. Composición de algunas especies de microalgas



51

8

Figura 4. Tipos de bioenergía producida por micro y macro algas



28.

1.1.5. Determinación cuantitativa de microalgas.- Para determinar la cantidad de algas

presente en una muestra, en el caso de colonias unialgales, es recomendable utilizar cámaras

como el hematocitómetro o la cámara de Neubauer, esta cámara posee áreas de recuento en

superficies delicadas de espejo, en las que se encuentra una rejilla grabada, esta rejilla muestra

grabada una cuadrícula de nueve cuadrados.

Algunos hemocitómetros pueden ser de 0,1 mm o 0,2 mm de profundidad y puede poseer

diferentes subdivisiones de la cuadrícula. La cámara usada para el conteo de microalgas es del

tipo de 0,1 mm de profundidad (cámara de Neubauer) con una capacidad de 0.0001 mL en cada

cuadrado terciario; cada cámara de la contiene nueve cuadrados grandes de 1mm separada por

fallos dobles o triples.

El volumen en nueve grandes plazas es 0,0009 mL, en la retícula central, la cámara de

Neubauer tiene un cuadrado primario que contiene nueve cuadrados secundarios, cada uno de

ellos dividido a su vez en 16 cuadrados terciarios.

El cuadrado secundario central contiene no 16, sino 25 cuadrados, cada uno de ellos dividido a

su vez en 16 cuadrados cuaternarios.

Para determinar la concentración de células por cada mL de muestra, sume las células contadas

en los cuadrados grades de 1mm y divida por el número de cuadrados contados, para así obtener

el número promedio de células por cuadrado.

Micro y Macro Algas

Lípidos

Biodiesel

Carbohidratos

Bioetanol

Biomasa

Metanol

Hidrocarburos

Alkanos

Hidrógeno

9

Multiplique este número celular promedio por 10.000 para obtener el número de células por mL.

Figura 5. Cámara de conteo celular de Neubauer

Fuente: DIPROLAB. Productos de cristalería [en línea]. Costa Rica. [Fecha de

consulta: 8 Agosto 2014]. Disponible en: <http://diprolabcostarica.com/nuestros-

productos/cristaleria/ >

1.2. Biodiesel

Según la ASTM (American Society for Testing and Materials) es un combustible compuesto de

monoalquil ésteres de ácidos grasos de cadena larga proveniente de aceites vegetales o de grasa

animal. Se presenta como una alternativa bioenergética, como sustituto del diésel proveniente

del petróleo.

1.2.1. Propiedades del Biodiesel.- Se han estudiado las propiedades del biodiesel y se han

tabulado los resultados obtenidos con respecto a otros combustibles, como se muestra en el

cuadro 5.

La información del cuadro, muestra que el biodiesel proviene de una fuente renovable, tiene un

punto de ebullición semejante al proveniente del petróleo. Esta temperatura restringe su

volatilización proporcionando seguridad en su manipulación a condiciones ambientales, tiene

una alta densidad energética por cada litro de biocombustible, lo que hace que su rendimiento

sea alto y genere menos contaminación.

10

Debido a estas características, y por ser un recurso renovable, se ha fomentado la investigación

de obtención de aceite proveniente de distintos organismos, sin afectar la estabilidad y consumo

alimenticio del ser humano, por lo que se ha estudiado la obtención de aceites proveniente de

microorganismo como las microalgas.

Cuadro 5. Propiedades del biodiesel

a: FAME,

b: Schaub and Vetter (2008),

c: También se usa como materia prima el aceite vegetal (éster de glicerina),

d: A 1 bar,

e: Rapeseed-metil-éster RME,

f: Variable,

g: A 15◦C, h: A 300 bar.

Abreviaciones: DE: Motor de diésel, OE: Motor de Otto, FC: Pila de

Fuente: DÁVILA, Ana. Evaluación de las condiciones de cultivo autotrófico de microalgas

Chlorella para la producción de biodiesel. Tesis de grado de Ingeniero Ambiental. Universidad

San Francisco de Quito, Colegio de Ciencias e Ingeniería. Quito, Mayo del 2013. p. 24

11

1.2.2. Producción de biodiesel a partir de microalgas.- El proceso de producción consiste en

varias etapas:

a) Cultivo: se lo realiza en un medio acuático, en esta etapa se alimenta a las microalgas con los

nutrientes necesarios y también se le provee de CO2 (g) y aire comprimido, debe estar en un

sitio iluminado y en constante agitación. Esta etapa durará el tiempo necesario hasta que las

microalgas alcancen su mayor concentración.

En condiciones óptimas, sin contaminación, las algas pueden desarrollarse de manera

continua. Sin embargo habrá que suministrar periódicamente cultivos de algas al sistema.

Entre 50 y 150 gramos de biomasa seca se pueden obtener por metro cúbico diariamente en

condiciones favorables dentro de foto-bio-reactores.

b) Cosechado: consiste en separar las microalgas del agua, el método de separación más eficaz

por su rapidez es la centrifugación.

c) Secado: una vez obtenida la biomasa separada del agua, se procede a secar.

Este procedimiento puede ser natural con luz solar o en una mufla eléctrica, lo más

recomendable es aprovechar la luz solar y no consumir electricidad.

d) Extracción de Aceite: una vez obtenida la biomasa seca, se procede a extraer el aceite de las

microalgas, mediante prensado.

e) Obtención del biodiesel: en condiciones necesarias de presión y temperatura se realiza la

reacción de transesterificación del aceite obtenido de las microalgas convirtiéndolo en

biodiesel.

Figura 6. Proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas

12

1.2.3. Reacción de transesterificación.- Consiste en una reacción de moléculas de triglicéridos

con alcoholes de bajo peso molecular para producir ésteres y glicerina.

La reacción de transesterificación requiere 3moles de alcohol por cada mol de triglicérido, para

producir un mol de glicerol y 3 moles de metil-ester.

Esta reacción tiene que ser catalizada, se puede usar como catalizador sustancias ácidas o

básicas, y enzimas lipasa, la reacción con catalizador básico es mucho más rápida que con otras

sustancias, los álcalis más usados son hidróxido de sodio o potasio en una concentración del 1%

en peso con relación a la cantidad de aceite.

(1)

1.3. Técnicas de recuperación de biomasa.

La Biomasa puede ser cosechada por centrifugación, filtración, y en algunos casos por

sedimentación.

La separación de biomasa presenta dificultades debido al pequeño tamaño de las microalgas (3-

30 µm), por lo que es recomendable realizar una floculación previa a las técnicas de separación.

La recuperación de Biomasa contribuye con el 20-30% del costo total de producción, por lo que

es de gran importancia conocer, caracterizar y diferenciar las distintas técnicas.

13

Para obtener productos con valores bajos se recomienda realizar una sedimentación previa a una

floculación, pero esta técnica es relativamente lenta, y debido al gran volumen a separar se

requiere de un gran espacio solo para la sedimentación.

Productos con valores altos provienen de biomasa centrifugada, con esta técnica se puede

procesar grandes volúmenes con tiempos relativamente rápidos.

A continuación una descripción de los distintos métodos de recuperación de biomasa:

1.3.1. Floculación.- Las células de las microalgas, llevan una carga negativa que evita la

agregación de células en suspensión.

La carga de la superficie puede ser neutralizada o reducida mediante la adición de floculantes

tales como cationes multivalentes y polímeros catiónicos para el cultivo.

Idealmente, los floculantes utilizados deben ser baratos, no tóxicos, y eficaces en baja

concentración. Además, el floculante debe ser seleccionado de manera que su tratamiento

adicional no se vea afectado negativamente por su uso. Sales de metales multivalentes son

floculantes o coagulantes eficaces.

Las sales usadas comúnmente son cloruro férrico (FeCl3), sulfato de aluminio (Al2 (SO4) 3,

alumbre) y sulfato férrico (Fe2 (SO4) 3). El alumbre es un floculante eficaz para microalgas

Scenedesmus y Chlorella.

Figura 7. Dosis de floculantes vs. Total de células removidas

14

Figura 8. Eficacia de la eliminación de células por floculación con polímeros

Fuente: GRIMAA, /et. al/. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options

and economics, Biotechnology Advances. Palmerston North. Nueva Zelanda: ELSEVIER. pp.

494-495

A veces, la floculación eficaz se logra simplemente cambiando el pH del caldo de las algas. En

un estudio, se logró extensa floculación a valores de pH entre 11,8 y 12, sin otros floculantes

añadidos.

Figura 9. Eficiencia de Células removidas por floculación con álcalis.

Fuente: GRIMAA, /et. al/. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options

and economics, Biotechnology Advances. Palmerston North. Nueva Zelanda: ELSEVIER. p.

496.

15

1.3.2. Filtración.- Para la separación microalgas grandes como Coelastrum proboscideum y

Spirulina platensis conviene el uso de filtros-prensas que funcionen bajo presión o vacío pero no

recuperan organismos cercanos a dimensiones bacterianas (por ejemplo, Scenedesmus,

Dunaliella, Chlorella)

Para las pequeñas células de Dunaliella, la filtración a través de filtros de arena, fibras de

celulosa y otros materiales de filtro no ha demostrado ser práctica.

1.4. Centrifugación.

Es una operación básica que permite la separación de sustancias debido al efecto de

sedimentación utilizando un campo centrífugo en lugar de un gravitatorio. Esta operación

permite la separación de sistemas líquido – sólido o líquido-líquido.

Al ser la centrifugación una sedimentación acelerada, se califica como el mejor proceso de

separación de las microalgas cultivadas.

Con la centrifugación se acelera el proceso de separación pero los estudios indican que tienen

una alta demanda energética, aproximadamente de 3.000 kW/ton de biomasa separada.

La aceleración centrípeta no es constante, depende del radio de giro, y se puede calcular

mediante la ecuación:

a= w2 r (2)

En donde:

a = aceleración

w = velocidad angular

r = radio de giro

Para determinar la velocidad de sedimentación de una partícula en la centrifugadora, se

reemplaza la aceleración centrífuga en la Ley de Stokes.

Ley de Stokes:

(3)

16

Velocidad de sedimentación en la centrifugación:

(4)

En donde:

dp = diámetro de la partícula

ρL = densidad del fluido

ρp = densidad del sólido

µ = viscosidad del fluido

ω = Velocidad angular

r = radio de giro.

De acuerdo con la Ec. 4, la velocidad de sedimentación de la partícula se incrementa hasta

100000 veces más que la sedimentación por gravedad.

En esta ecuación se identifican las variables que intervienen en la rapidez de sedimentación de

las partículas, observándose que existe una relación directamente proporcional con el diámetro y

densidad de las partículas y líquido, el radio de giro y la velocidad angular, mientras hay una

relación inversamente proporcional con la viscosidad del líquido.

Se observa que para aumentar la rapidez de sedimentación será necesario aumentar las variables

directamente proporcionales y disminuir las variables inversamente proporcionales.

Figura 10. Variables que intervienen en la velocidad de sedimentación centrífuga

Var

iab

les

Dir

ecta

men

te

Pro

po

rcio

nal

es

• Densidad de la partícula

• Diámetro de la partícula

• Velocidad angular

• Radio de Giro

Var

iab

les

Inve

rsam

ente

P

rop

orc

ion

ales

• Densidad del líquido

• Viscosidad del líquido

17

La recuperación centrífuga puede ser rápida, pero consume mucha energía. Sin embargo, la

centrifugación es el método preferido de recuperación de células de algas.

La recuperación de la biomasa en una centrífuga de sedimentación depende de las

características de las células, el tiempo de residencia, la suspensión de células en la

centrifugadora, y la profundidad de asentamiento que se puede mantener pequeña mediante el

diseño de la centrífuga.

El tiempo de residencia de la suspensión en la centrífuga puede ser controlado mediante el

control de la velocidad de flujo

1.4.1. Centrífuga.- Es una máquina diseñada para someter el material contenido en ella, o que

pasa por ella, a un movimiento rotativo el que tiende a separarse en virtud de su inercia o de su

fuerza centrífuga.

1.4.2. Tipos de Centrífugas:

Centrifuga intermitente o por cargas. Retiene el material cargado y lo somete a la acción

de la fuerza centrífuga para lograr una separación de sus componentes.

Este tipo de centrífuga es aplicable para una operación por lotes y dependerá de su

capacidad.

Centrífuga continua. Es un dispositivo que permite una alimentación y descarga continua,

mediante la alimentación de una corriente constante de material que ingresa al aparato

centrífugo en donde por efecto de la fuerza centrífuga se logra la separación de los materiales

contenidos en la alimentación, y se descarga continuamente por la salida de la centrífuga.

Clarificador centrífugo. Somete un material sólido o líquido a al efecto de la fuerza

centrífuga para separar sus contaminantes sólidos o líquidos.

Separador centrífugo. Somete una masa o corriente de líquidos mezclados a la fuerza

centrífuga para separarlos.

Purificador centrífugo. Dispositivo diseñado para eliminar contaminantes (agua o lodo) de

una corriente líquida en forma continua.

18

Centrífuga de tubos, tiene copas portadoras de tubos de ensayo graduados que contienen

líquidos sometidos a fuerzas centrífugas durante tiempo concretos, con la finalidad de medir

las cantidades de componentes y estimar su separabilidad en investigaciones.

Figura 11. Centrifuga por cargas de tubos del Laboratorio INER (Instituto Nacional de

eficiencia energética y energías renovables)

Centrífuga de canasta, se llena con una masa de materiales, para eliminar centrífugamente

el agua o líquidos que contenga y separar el sólido.

Filtro centrífugo, tiene un medio filtrante para atrapar y retener los sólidos mientras deja

pasar a su través los líquidos y los descarga.

1.4.3. Especificaciones Técnicas de la Centrífuga del Laboratorio. Datos tomados del

manual técnico de la centrifugadora utilizada en la experimentación, Modelo Sorvall ST

16/16R. Ver Anexo R.

Cuadro 6. Especificaciones técnicas de la centrífuga

Característica Valor

Voltaje 120 V

Frecuencia 60 Hz

Corriente Nominal 9.5 A

Potencia de Consumo 850 W

Equipamiento fusible 15 AT

Límites de Temperatura Ambiente +2ºC - +35ºC

19

Cuadro 6. (Continuación)

Disipación de Calor 3901 BTU/h

Tiempo de Uso Ilimitado

Velocidad Máxima 15200 RPM

Velocidad Mínima 300 RPM

Máxima Energía Cinética 51.7 kJ

Nivel de ruido a la máxima velocidad < 63 dB

1.5. ENERGÍA

Energía es una propiedad de la materia, cuyo concepto físico la define como la capacidad que

tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Es una magnitud física derivada que puede ser

cuantificada en sus distintos tipos, sus unidades de medida en el S.I. es el Julio simbolizado por

J, dimensionalmente equivale a [ML2T

-2].

La energía según la ley de conservación no se crea ni se destruye solamente se transforma.

Es una propiedad de la materia muy importante y valiosa en el desarrollo humano y de todo ser

vivo en el planeta, en sus distintos tipos, fuentes y conversiones el ser humano aplica la energía

en muchos ámbitos de la vida para un adecuado desarrollo, el uso energético ha existido desde

el principio de los tiempos en forma natural, aprovechándose energías naturales, como la solar,

eólica, hidráulica, etc., pero conforme la ciencia ha avanzado se ha logrado convertir y producir

otros tipos de energía, sin prever que sus fuentes pueden ser limitadas y además que su uso ha

provocado cierto grado de contaminación en nuestro planeta.

Actualmente debido a inconvenientes con las fuentes no renovables de energía y contaminación,

se han realizado investigaciones con la finalidad de potenciar el uso de fuentes renovables de

energía y a la vez amigables con nuestro ecosistema.

1.5.1. Fuentes y tipos de energía.- De manera general se ha logrado establecer que la energía

proviene de dos tipos de fuentes que son renovables y no renovables, y dependiendo de la fuente

se puede obtener un tipo de energía, como se muestra en la Figura 12.

20

Figura 12. Fuentes y tipos de energía.

Fuente: MARTINEZ, Adrian. Coste de las diferentes fuentes de Energía, [en línea].

España. [Fecha de consulta: 8 Agosto 2014]. Disponible en:

< http://www.eoi.es/blogs/adrianmartinezriera/files/2013/11/Energias2.jpg>

La energía que se obtiene depende de su fuente, puede ser de varios tipos pero puede

transformarse de acuerdo a la aplicación requerida, en la Fig. 13 se muestra los tipos de energía

y sus conversiones.

Entre los tipos de Energías se tiene:

Energía Mecánica: es la energía que poseen los cuerpos en movimiento.

Energía Térmica: es aquella que poseen los cuerpos debido a la cantidad de calor que

pueden absorber o ceder.

Energía Eléctrica: es la existente en las cargas eléctricas en movimiento.

Energía Química: es la que procede del interior de los cuerpos debido a su estructura

química y las reacciones que en su interior ocurren.

Energía Radiante: es aquella que proviene de ondas emitidas por radiación.

Un tipo de energía puede transformarse a otro tipo de energía, mediante procesos físicos y

químicos que pueden ser reversibles e irreversibles.

21

Figura 13. Tipos de energía y sus transformaciones

Fuente: MARTINEZ, Victor. La transformación de la energía, [en línea]. España.

[Fecha de consulta: 8 Agosto 2014]. Disponible en:

< http://www.eoi.es/blogs/victormartinezsalas/files/2013/11/Captura-de-pantalla-2013-

11-17-a-las-23.26.50-e1384864531580.png>

1.5.2 Situación actual del consumo de energía.- Actualmente el consumo de Energía en el

mundo se basa fundamentalmente en la energía primaria que corresponde a la obtenida de los

derivados del petróleo, combustibles fósiles como carbono y gas natural, y en un bajo aporte la

energía nuclear e hidráulica.

Debido a que la demanda de energía aumenta y las fuentes de energía primaria han sido

consumidas en gran parte de sus reservas, el mundo ha ido buscando nuevas alternativas de

energía y sobre todo que provengan de fuentes renovables, ya que son ilimitadas.

La mayor fuente de consumo energético en el mundo es el petróleo con un 42.3%, se observa

que ha existido una disminución del consumo de carbón, un incremento en el consumo de

energía eléctrica, pero en cuanto a las energías renovables solo un pequeño aumento que refleja

un estancamiento en esta área, pero que en la actualidad está en la mira de las investigaciones

para lograr establecer las fuentes renovables como fuentes de energía limpias y sostenibles.

22

Dentro de las energías renovables que se usan se destaca la energía hidráulica, la madera y los

biocombustibles, en pequeña proporción la biomasa que es objeto de estudio del presente

trabajo.

En la Fig. 14 se presenta una comparación del consumo energético en los años de 1973 y 2004.

Figura 14. Consumo mundial de energía.

Figura 15. Distribución de energías renovables.

Fuente: FORO NUCLEAR. Energía y Sociedad. [en línea]. España. [Fecha de consulta: 8

Agosto 2014]. Disponible en:

<http://www.foronuclear.org/images/stories/imagenes/energianuclear/2010/faqs/16.jpg >

http://www.foronuclear.org/images/stories/imagenes/energianuclear/2010/faqs/16.jpg

23

1.6. Biomasa como recurso Energético.

“Biomasa es toda materia orgánica que tiene su origen en un proceso bilógico. La formación de

biomasa vegetal (fitomasa), se lleva a cabo por el proceso de fotosíntesis mediante el cual las

plantas captan y utilizan la energía de la luz para transformar la materia inorgánica de su medio

externo en materia orgánica de elevado contenido energético, que utilizarán para su crecimiento

y desarrollo.” [6]

1.6.1. Clasificación de Biomasa.- “Su clasificación según su origen es:

Biomasa Natural: la que se produce en ecosistemas naturales, su explotación no es

compatible con la protección del entorno.

Biomasa Residual: son los residuos forestales y agrícolas, urbanos y biodegradables como

efluentes ganaderos o lodos de depuradoras.

Cultivos energéticos: se realizan con el único objetivo de aprovechar la energía que

contienen, ya que producen grandes cantidades de materia viva por unidad de tiempo.

Excedentes Agrícolas: están constituidos por los productos agrícolas que no emplea el

hombre.” [7]

Figura 16. Clasificación de la biomasa

BIOMASA

Cultivos Energéticos

Cultivos Tradicionales

Cultivos poco frecuentes

Cultivos acuáticos

Cultivos para producir

combustible líquido

Biomasa Vegetal

Biomasa Residual

Residuos Industriales

Forestales Agroalimentarios Agrícolas

Residuos agrícolas y forestales

Residuos Urbanos

Residuos Ganaderos

Exedentes agrícolas

24

1.6.2. Cultivos energéticos.- Se denomina a aquellos cultivos de crecimiento rápido destinados

únicamente a la obtención de energía o como materia prima para la obtención de otras

sustancias combustibles. Entre los cultivos energéticos destinados a la producción de biomasa

se suelen distinguir los siguientes:

“Cultivos Productores de biomasa lignocelulósica: se utilizan principalmente para la

producción de calor mediante su combustión directa e calderas, lo que permite su uso en

desecación y en generación de vapor.

Cultivos cuyo procesamiento genera combustibles líquidos, tal es el caso de los aceites

vegetales o de algas con diferentes grados de transformación para la obtención de biodiesel y

los alcoholes obtenidos por destilación, llamados biocarburantes.”[8]

25

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Diagrama del Proceso Experimental.

Figura 17. Diagrama del proceso experimental

Cultivo de Microalgas

(Fase estacionaria de crecimiento)

Caracterización del Cultivo

pH

Temperatura

Densidad

Microcelular

Análisis del Cosechado de Biomasa por Centrifugación

Variación del Tiempo de

Centrifugación a Velocidad angular

Constante.

Variación de la Velocidad Angular

a Tiempo de Centrifugación

Constante.

Determinación del

rendimiento de

separación

Promedio de la cantidad

de Biomasa separada

Valoración del consumo

energético debido a la

centrifugación

Proyección de la

energía a obtener de la

Biomasa separada.

Análisis de la Energía

Consumida vs la

Energía producida.

26

2.1.1. Descripción del Proceso Experimental. Para el análisis del cosechado de biomasa por

centrifugación, se inicia con la caracterización del cultivo de microalgas en su fase estacionaria

de crecimiento.

Se toma una muestra del cultivo y se procede a la caracterización determinando los siguientes

parámetros: pH, temperatura y densidad microcelular con los procedimientos indicados

posteriormente.

Una vez caracterizado el cultivo, y conociendo la cantidad de microalgas presentes, se procede

al análisis del cosechado de biomasa por centrifugación, para lo cual se establecen las variables

de centrifugación que son tiempo y velocidad.

Se efectúa la toma de datos para experimentaciones con rapidez angular constante, variando el

tiempo de centrifugación y viceversa.

Se realiza la caracterización del líquido después de la centrifugación, lo cual permite determinar

mediante conteo celular, la densidad micro celular y de esta forma conocer el rendimiento de

separación de biomasa para cada experimentación.

Además, mediante un secado de la biomasa que ha sido separada mediante el proceso de

centrifugación, se determina el promedio de biomasa obtenida, resultado que permitirá la

determinación de la cantidad de energía obtenida de la biomasa al relacionarla con el porcentaje

de aceite teórico que contiene la especie de microalga en estudio.

Con las características técnicas de la centrifugadora usada, se procederá a la valoración del

consumo energético efectuado en cada experimentación y posteriormente con los resultados

obtenidos se comparará la cantidad de energía consumida vs la energía producida por la

biomasa obtenida, esto permitirá identificar las condiciones óptimas de centrifugación con la

finalidad de disminuir el consumo energético.

2.2. Materiales y Equipos

Centrifugadora de tubos R = (1-300) mL (300 – 15200) RPM P = 850 W

Balanza analítica Ap. = + 0.0001 g R = (0 – 210) g

Probetas (V=250 mL Ap=± 10 mL) ; (V=100 mL ; Ap = ± 1 mL)

27

Estufa

Envases plásticos de capacidad de 3 L.

Agitador

Jeringas de 10 mL y 5 mL

Erlhenmeyer ( V= 20 mL Ap=+ 5 mL) ; (V= 500 mL Ap = + 50 mL)

Potenciómetro (R: 0-14; Ap = ± 0,01)

Cronómetro (Ap=±0,01 seg)

Autoclave T=121 ºC; P=1,1 bar

Microscopio

Cámara de conteo de Neubauer

Cubre objetos

Tubos de centrifugación (V= 14 mL, Ap= + 1 mL)

Gradilla

Espátula pequeña

Picetas

Vasos de precipitación (V= 250 mL Ap= + 10 mL); (V=50 mL Ap= + 10 mL)

Tubos de ensayo ( V= 15 mL Ap= + 2 mL)

Tubos de vidrio con tapa

Compresor de pecera

Mangueras plásticas de 1/8’

Tubos fusible

Sorbetes plásticos

Caja Petri

Pipetas plástica ( V= 3mL Ap= + 0,5 mL)

Papel absorbente

Refrigeradora

2.3. Sustancias y Reactivos

Cultivo de microalgas Chlorella Sp.

Agua Tipo I y Tipo II H2O(l)

Fertilizante ( N, P, K )

Alcohol etílico 70% C2H6O (l)

Hipoclorito de sodio comercial NaClO (l)

Luz ultravioleta germicida

28

2.4. Procedimiento Experimental

2.4.1. Procedimiento del conteo microcelular

a) Si la muestra es muy concentrada, tomar con la jeringuilla previamente esterilizada con

alcohol y enjuagada con agua Tipo II, 1 mL de la muestra y diluirla en un determinado

volumen de agua, este dato servirá como factor de disolución.

b) Agitar la mezcla diluida y con una jeringuilla de 5 mL tomar una pequeña muestra para

colocarla en la cámara de conteo.

c) Preparar la cámara de Neubauer limpiando cuidadosamente con agua y un paño para evitar

rayones en el espejo de la cámara.

d) Colocar el cubre objetos sobre la zona de conteo.

e) Mezclar la muestra contenida en la jeringuilla, suavemente, y proceder a colocar una

pequeña gota entre el cubre objetos y la cámara lentamente, la capilaridad hará que la cámara

se llene con la suficiente cantidad de muestra.

f) Comprobar que la cantidad suministrada no se desborde en los fosos de la cámara, de lo

contrario repetir el procedimiento, ya que se tendrá un exceso de muestra para ser

contabilizada.

g) Permitir unos minutos de reposo para que las células se fijen en la cámara de conteo.

h) Observar por el microscopio, con el lente 40x, y enfocar el cuadrante A de la zona de conteo

de la cámara.

i) Contar las microalgas presentes en cada cuadro subdividido del cuadrante A, y anotar los

datos obtenidos, cada cuadrante se divide en 16 cuadrados más pequeños para contar.

j) Proceder con el conteo para los cuadrantes B, C y D de la cámara de Neubauer.

k) Registrar los datos obtenidos en cada cuadrante.

l) Una vez terminado el conteo, la cámara debe ser limpiada a fondo con agua y posteriormente

con alcohol, secar con un papel absorbente, y limpiar con paños libres de pelusa.

2.4.2. pH y Temperatura del cultivo.

a) Comprobar la calibración del potenciómetro con la soluciones buffer.

b) Tomar 30 mL de muestra del cultivo en un vaso de precipitación y determinar el pH de la

muestra. Registrar los datos obtenidos.

c) Con el sensor de temperatura del potenciómetro determinar la temperatura de la muestra.

29

2.4.3. Centrifugación

a) Encender la centrifugadora y abrirla

b) Sacar la tapa del rotor y colocar los porta-tubos de acuerdo al volumen a centrifugar, puede

ser de 15 mL o 50 mL cada tubo, con una capacidad de centrifugación de 6 tubos.

c) Colocar 10 mL de muestra de cultivo de algas a centrifugar en los tubos de centrifugación de

15 mL y colocarlos dentro de los porta-tubos en la centrifugadora. Tener en cuenta que el

peso debe estar equilibrado en la centrifugadora en el caso de no usar los 6 tubos

d) Colocar la tapa de seguridad del rotor y cerrar la tapa de la centrifugadora.

e) En el panel de control establecer el tiempo de centrifugación, la velocidad angular y fijar

como valor de aceleración y desaceleración de la centrifugador en 9, una vez establecidos

estos parámetros, presionar START.

f) Después de la centrifugación, abrir las tapas y sacar los tubos con muestra.

2.4.4. Secado de biomasa

a) De las muestras de biomasa centrifugadas, separar la parte líquida de la sólida, colocando el

líquido en tubos de vidrio con tapa, señalando los datos de centrifugación para su posterior

análisis.

b) La parte sólida (biomasa de microalgas) que queda en los tubos de centrifugación colocarlos

en la estufa por 4 horas a 80 ºC.

2.4.5. Procedimiento para el análisis de centrifugación.

Determinación de la mínima velocidad angular para separar la Biomasa

a) Tomar una muestra de 10 mL de cultivo de microalgas y colocarlo en el tubo de

centrifugación de 15 mL

b) Colocar el tubo con la muestra en un porta-tubos dentro de la centrifugadora, y colocar un

tubo con 10 mL de agua para equilibrar el peso en la centrifugadora.

c) Iniciar el ensayo de centrifugación con la mínima velocidad angular que en este caso es de

300 RPM y establecer como tiempo mínimo de centrifugación 2 min.

d) Fijar los parámetros de velocidad y tiempo en el panel de control de la centrifugadora y

presionar START para iniciar el proceso.

e) Al terminar la centrifugación, observar cualitativamente la separación de la biomasa, si la

muestra centrifugada no se ha logrado separar, repetir el procedimiento variando la velocidad

angular cada 100 RPM con el mismo tiempo de 2 min. hasta lograr observar la separación de

30

biomasa. (Anexo E, F y G) y empezar el análisis de centrifugación como velocidad angular

mínima la obtenida de la observación.

Variación del tiempo y velocidad angular para el análisis de centrifugación.

a) Determinar los parámetros de pH y temperatura del cultivo de microalgas que se va a

centrifugar.

b) Contar la densidad celular de microalgas presentes en el cultivo a centrifugar, con el

procedimiento de conteo señalado en el punto 2.4.1.

c) Registrar los datos de pH, temperatura, y densidad celular de la muestra de cultivo de

microalgas.

d) Obtener las masas de los tubos de centrifugación de 15 mL que se usará para el análisis en la

balanza analítica y registrar estos datos.

e) Colocar en los tubos de centrifugación 10 mL de muestra de cultivo de microalgas en cada

tubo, y etiquetarlos.

f) Realizar en 3 muestras, centrifugaciones para velocidades angulares de (500, 1000, 1800,

2500, 3500, 4500, 5500, y 6500) RPM, cada una con un tiempo de 2 min.

g) Repetir el procedimiento del numeral f, cambiando el tiempo a 4 min., 6 min. y 8 min.

h) Para cada centrifugación separar el líquido separado en un tubo de vidrio con tapa señalando

la rapidez y tiempo de centrifugación que corresponde, y almacenar en la refrigeradora

(detener el crecimiento celular), para su posterior conteo de células.

i) El sólido separado que queda en el tubo de centrifugación, colocarlo en la estufa por 4 horas

a una temperatura de 80 ºC.

j) Con el procedimiento de conteo micro celular antes señalado en el punto 2.4.1. determinar la

densidad celular del líquido que queda después de centrifugar, y registrar estos datos.

k) Una vez que la biomasa está seca, determinar la masa de los tubos con biomasa en la balanza

analítica, y registrar los datos obtenidos. Con cálculos determinar la masa de biomasa

separada en cada ensayo de centrifugación.

l) Registrar los datos de biomasa seca y densidad celular del líquido después de la

centrifugación para los 3 ensayos en cada experimentación y calcular los promedios

respectivos.

m) Calcular el rendimiento de separación de biomasa del cultivo de microalgas para cada ensayo

de centrifugación comparando los resultados de densidad celular del cultivo y del líquido

remanente después de la centrifugación.

31

2.5. Diagrama de Flujo del proceso experimental.

Microalgas Chlorella Sp.

Nutrientes y agua

Microalgas en Fase Est.

pH, Temperatura y

Densidad Celular

FASE LÍQUIDA FASE SÓLIDA

(Líquido del Cultivo) (Biomasa Húmeda)

T < 15 ºC

Rendimiento de Separación

y Optimización de la Centrifugación Biomasa de Microalgas

Seca T = 80 ºC

t = 4 h.

2.6. Diagrama de Operacionalización de Variables

Reactor Centrifugación

Secado

Refrigeración Conteo

Celular

32

3. DATOS EXPERIMENTALES

3.1. Determinación de ensayos para el análisis de centrifugación.

Tabla 1. Nomenclatura para el análisis de centrifugación

Tiempo /

Velocidad Angular 2 min 4 min 6 min 8 min

500 RPM ---- A1 A2 A3

1000 RPM B1 B2 B3 B4

1800 RPM C1 C2 C3 C4

2500 RPM D1 D2 D3 D4

3500 RPM E1 E2 E3 E4

4500 RPM F1 F2 F3 F4

5500 RPM G1 G2 G3 G4

6500 RPM H1 H2 H3 H4

Para cada ensayo se recopilaron 3 datos.

3.2. Datos obtenidos de la centrifugación del cultivo de microalgas.

Los datos recopilados para cada ensayo de centrifugación que se detalla en la Tabla 1, se

obtuvieron del conteo de células presentes en las muestras a centrifugar, conteo de células

presentes en el líquido obtenido después de centrifugar la muestra, la masa de los tubos de

centrifugación que se usaron y posteriormente la masa de los tubos con la Biomasa que se

separa después de la centrifugación.

A cada ensayo le corresponde un determinado valor de velocidad angular de centrifugación y

tiempo de centrifugación como se muestra en la Tabla 1, con 3 experimentaciones para cada

caso.

En todos los ensayos se centrifugaron 10 mL de muestra de cultivo en cada tubo.

33

3.2.1. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo A1.

Tabla 2. Conteo celular y biomasa del ensayo A1

ANTES DE CENTRIFUGAR DESPUÉS DE CENTRIFUGAR

No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)

Disolución A B C D Disolución A B C D

12

1/10 469 443 489 442

5,783 5,7895 1/10 390 330 301 328

6 5,6704 5,6805 1/12 283 257 241 253

7 5,7604 5,7686 1/12 286 254 275 283




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


6

1/10 469 443 489 442

5,6677 5,68 1/11 183 214 209 228

8 5,6643 5,6736 1/12 193 186 194 169

9 5,7231 5,729 1/12 180 218 199 201




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


16

1/10 469 443 489 442

5,1682 5,1751 1/10 168 183 155 163

10 5,7198 5,736 1/11 138 138 147 148

11 5,7834 5,7907 1/11 149 133 151 137

34

3.2.4. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo B1.

Tabla 5. Conteo celular y biomasa del ensayo B1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1

1/10 469 443 489 442

5,7052 5,7148 1/10 198 105 195 115

12 5,7831 5,7957 1/12 113 116 116 140

13 5,8138 5,8285 1/12 132 131 119 129

3.2.5. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo.



No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


3

1/10 469 443 489 442

5,6625 5,6745 1/8 107 101 99 103

14 5,7752 5,7849 1/10 65 83 77 75

15 5,7038 5,719 1/10 80 89 87 69




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


6

1/10 469 443 489 442

5,6677 5,68 1/5 90 88 93 95

16 5,1675 5,186 1/5 85 71 65 80

17 5,1799 5,1938 1/5 91 82 83 77

35




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


8

1/10 469 443 489 442

5,6652 5,6773 1/5 58 52 64 65

18 5,2496 5,2644 1/3 98 87 86 98

19 5,4076 5,4223 1/3 86 76 82 85

3.2.8. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo C1.

Tabla 9. Conteo celular y biomasa del ensayo C1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


18 1/10 469 443 489 442 5,249 5,2644 1/5 87 96 92 108

1 1/12 405 395 381 342

5,7023 5,7138 1/2 228 243 243 253

2 5,6538 5,665 1/2 246 239 259 251




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


10 1/10 469 443 489 442 5,7144 5,7267 1/4 75 65 80 85

3 1/12 405 395 381 342

5,663 5,6784 1/4 80 86 85 73

4 5,9492 5,9618 1/4 86 83 81 88

36




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1 1/10 469 443 489 442 5,7008 5,7105 1/2 85 100 97 95

6 1/12 405 395 381 342

5,6682 5,6805 1/3 75 80 79 78

7 5,763 5,7721 1/3 82 71 77 77




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


3 1/10 469 443 489 442 5,6632 5,6745 0 96 120 114 105

8 1/12 405 395 381 342

5,6654 5,6769 1/2 67 77 79 83

9 5,7198 5,732 1/2 70 78 77 72

3.2.12. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo D1.

Tabla 13 Conteo celular y biomasa del ensayo D1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


2 1/10 444 351 395 319 5,6523 5,6618 0 124 169 148 129

10 1/12 405 395 381 342

5,7161 5,7262 1/2 124 125 121 115

11 5,7835 5,7945 1/2 99 110 118 126

37


Tabla 14. Conteo celular y biomasa del ensayo D2


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1 1/10 444 351 395 319 5,7016 5,7178 0 133 159 142 140

12 1/12 405 395 381 342

5,7841 5,7954 1/2 103 78 88 104

13 5,812 5,8238 1/2 91 87 93 83




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


7 1/10 444 351 395 319 5,7601 5,7795 0 46 60 58 74

14 1/12 405 395 381 342

5,7741 5,7867 0 115 129 126 118

15 5,702 5,7152 0 80 71 76 78




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


6 1/10 444 351 395 319 5,6691 5,6848 0 148 139 158 175

16 1/12 405 395 381 342

5,1666 5,1821 0 117 111 104 110

17 5,1775 5,1914 0 121 117 110 119

38

3.2.16. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo E1.

Tabla 17. Conteo celular y biomasa del ensayo E1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


2 1/10,4 419 474 460 423 5,6538 5,668 0 155 165 175 201

18 1/12 405 395 381 342

5,2479 5,2604 0 129 130 116 127

19 5,4063 5,4193 0 129 135 120 113




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


6 1/10,4 419 474 460 423 5,6685 5,6775 0 105 95 94 80

1 1/12 433 393 405 385

5,7018 5,718 0 138 118 152 121

2 5,6548 5,6695 0 133 150 138 138




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1 1/10,4 419 474 460 423 5,7019 5,71111 0 78 85 105 91

3 1/12 433 393 405 385

5,6687 5,6779 0 129 124 126 148

4 5,9492 5,9671 0 134 145 145 136

39




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


12 1/10,4 419 474 460 423 5,7836 5,7928 0 95 85 48 51

6 1/12 433 393 405 385

5,6716 5,6847 0 103 107 94 115

7 5,7593 5,7756 0 105 94 105 104

3.2.20. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo F1.

Tabla 21. Conteo celular y biomasa del ensayo F1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1 1/10,4 419 474 460 423 5,7021 5,7123 0 180 190 195 158

8 1/12 433 393 405 385

5,6693 5,6815 0 147 140 138 142

9 5,7201 5,7353 0 133 119 147 124




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


4 1/10,4 419 474 460 423 5,9503 5,961 0 134 129 132 181

10 1/12 433 393 405 385

5,7139 5,7312 0 98 108 115 104

11 5,7835 5,7989 0 120 122 131 114

40




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


8 1/10,4 419 474 460 423 5,6658 5,6784 0 97 99 111 122

12 1/12 433 393 405 385

5,7832 5,7988 0 92 99 95 102

13 5,8148 5,8268 0 102 111 109 96




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


11 1/10,4 419 474 460 423 5,7835 5,7948 0 66 77 66 67

14 1/12 433 393 405 385

5,7734 5,7898 0 70 79 75 76

15 5,7026 5,7186 0 80 75 66 74

3.2.24. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G1.

Tabla 25. Conteo celular y biomasa del ensayo G1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1 1/10 454 483 435 468 5,7022 5,7121 0 92 91 93 100

16 1/12 433 393 405 385

5,1668 5,1838 0 108 107 105 100

17 5,1815 5,1936 0 96 81 94 92

41

3.2.25. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo G2



No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


4 1/10 454 483 435 468 5,9502 5,9607 0 60 54 56 54

18 1/12 433 393 405 385

5,2493 5,263 0 52 41 41 41

19 5,407 5,4224 0 60 61 62 56




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


8 1/10 454 483 435 468 5,6657 5,6761 0 57 39 36 46

1 1/12 260 292 298 301

5,7032 5,7146 0 59 68 57 69

2 5,6558 5,6662 0 67 70 75 64




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


13 1/10 454 483 435 468 5,8123 5,8226 0 46 45 56 48

3 1/12 260 292 298 301

5,6649 5,6751 0 51 56 45 65

4 5,9509 5,9632 0 59 68 64 67

42

3.2.28. Conteo de células del cultivo y masa de microalgas del ensayo H1.

Tabla 29. Conteo celular y biomasa del ensayo H1


No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


1 1/10 262 263 234 279 5,7021 5,7119 0 72 60 52 68

6 1/12 260 292 298 301

5,6797 5,6928 0 108 107 105 100

7 5,7866 5,7961 0 96 81 94 92




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


4 1/10 262 263 234 279 5,9502 5,9599 0 43 42 37 39

8 1/12 260 292 298 301

5,6671 5,677 0 52 41 41 41

9 5,7725 5,7824 0 60 61 62 56




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


8 1/10 262 263 234 279 5,6651 5,675 0 34 33 37 35

10 1/12 260 292 298 301

5,718 5,7269 0 59 68 57 69

11 5,7866 5,7953 0 67 72 75 64

43




No.

Tubo

Densidad Celular

(células)

Masa

Tubo

Vacío

(g)

Masa de

Tubo +

Biomasa

(g)

Densidad Celular

(células)


11 1/10 262 263 234 279 5,783 5,7928 0 33 36 38 37

12 1/12 260 292 298 301

5,788 5,7958 0 51 56 45 65

13 5,8129 5,8245 0 59 68 64 67

3.3. Datos Técnicos de Consumo de Energía de la Centrifugadora

Los datos se obtienen del manual de operación de la Centrifugadora usada.

3.3.1. Datos de potencia y potencial Eléctrico de la Centrifugadora

Tabla 33. Datos de la centrifugadora

Modelo de

Centrifugadora

Capacidad de

Tubos a

Centrifugar

Volumen Total de

Centrifugación

Potencial

Eléctrico

Potencia

Eléctrica de

Consumo

Máxima

Energía

Cinética

Thermo

Scientific

Sorvall ST 16

6 ( 90 - 300 ) mL 120 V 850 W 51.7 kJ

3.4. Datos del cargo tarifario según CONELEC

Tabla 34. Datos del cargo tarifario

Fuente: CONELEC (Consejo Nacional de Electricidad). Pliegos y cargos tarifarios. [en línea].

Ecuador: Agencia de Regulación y control de electricidad. 2014. [Fecha de consulta: 9 Agosto

2014]. Disponible en:< http://www.conelec.gob.ec/documentos.php?cd=3073&l=1>

http://www.conelec.gob.ec/documentos.php?cd=3073&l=1

44

3.5. Datos del poder calórico de algunas sustancias:

Tabla 35. Poder calórico de algunas sustancias

PRODUCTO MJ / kg

Aceite de Algodón 37,2

Aceite de Lino 37,2

Aceite Mineral 42

Aceite de oliva 42

Aceite de Microalgas 35,8

Aceite de Palma 39,32

Aceite de Piñón 39,75

Fuente: MUÑOZ, Raúl. Biocombustibles de Microalgas [en línea]. España: Dpto. Ingeniería

Química y Tecnología del Medio Ambiente, Universidad de Valladolid. [Fecha de consulta: 09

Agosto 2014]. Disponible en:

http://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&

ved=0CC4QFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.iingen.unam.mx%2Fes-

mx%2FBancoDeInformacion%2FMemoriasdeEventos%2FBiotecnologiaAlgal%2FIntroduccion

BiocombustiblesMicroalgas.pdf&ei=70SSVPOML4qqgwSAjoH4CA&usg=AFQjCNE6OUEd4

bxPOmrFVJpQaQzihH9ZUQ&sig2=atGQhktnA9X5_7hr-Gmf0g&bvm=bv.82001339,d.eXY

3.6. Datos de masa y volumen del cultivo de microalgas.

Tabla 36. Masa y volumen del cultivo de microalgas

N. Tubo V (mL) Masa Tubo

(g)

Masa Tubo +

Cultivo (g)

10 13 7,1216 19,771

11 13 7,1966 20,0651

12 13 7,1088 19,8902

13 13 7,2157 19,8874

14 13 7,2098 19,9878

15 13 7,0915 19,877

http://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&ved=0CC4QFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.iingen.unam.mx%2Fes-mx%2FBancoDeInformacion%2FMemoriasdeEventos%2FBiotecnologiaAlgal%2FIntroduccionBiocombustiblesMicroalgas.pdf&ei=70SSVPOML4qqgwSAjoH4CA&usg=AFQjCNE6OUEd4bxPOmrFVJpQaQzihH9ZUQ&sig2=atGQhktnA9X5_7hr-Gmf0g&bvm=bv.82001339,d.eXY





45

4. CÁLCULOS

4.1. Cálculo para la densidad celular

4.1.1. Cálculo del promedio de células de microalgas contadas.

(5)

En donde:

PEn = es el promedio de células contadas para cada ensayo (cel)

A = número de células contadas en el cuadrante A de la cámara de Neubauer

B = número de células contadas en el cuadrante B de la cámara de Neubauer

C = número de células contadas en el cuadrante C de la cámara de Neubauer

D = número de células contadas en el cuadrante D de la cámara de Neubauer

Cálculo Modelo para la muestra del Ensayo A1:

4.1.2. Cálculo de la Densidad Celular.

(6)

En donde:

D = Densidad celular (cel/mL)

PEn = Promedio de células contadas para cada ensayo

Fd = Factor de disolución en fracción (de acuerdo con procedimiento 2.4.1 a)

46

Cálculo Modelo para la muestra del Ensayo A1:

⁄

4.2. Cálculo de la cantidad de biomasa separada por centrifugación.

4.2.1. Cálculo de la biomasa separada en cada ensayo de centrifugación

(7)

En donde:

mb = Masa de la biomasa separada en (g)

m2 = Masa de los tubos de centrifugación con la biomasa seca

m1 = Masa de los tubos de centrifugación vacíos

Cálculo Modelo para la muestra del tubo No. 12 del Ensayo A1:

4.2.2 Cálculo del promedio de biomasa separada.

∑

(8)

Cálculo Modelo para el ensayo A1:

4.3 Cálculo del rendimiento de centrifugación en tanto por ciento

( ) ( )

( ) (9)

47

En donde:

%R = Rendimiento de separación de biomasa por centrifugación

Dac = Densidad celular antes de centrifugar

Ddc = Densidad celular después de centrifugar

Cálculo Modelo para la muestra del tubo No. 12 del ensayo A1:

( ) ( )

( )

4.4. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica

Todos los cálculos mostrados a continuación son en referencia a un tiempo de 2 minutos de uso

de la centrifugadora.

4.4.1. Cálculo del Consumo de Energía en kWh del Uso de la Centrifugadora.

(10)

En donde:

E = Energía Consumida ( kWh)

Pe = Potencia Eléctrica de la Centrifugadora (W) (dato obtenido de la Tabla 33).

t = tiempo de uso de la centrifugadora (min)

Cálculo Modelo para un tiempo de 2 min de uso:

48

4.4.2. Cálculo del costo de consumo de energía eléctrica.

(11)

En donde:

C = Costo del consumo de energía (USD)

E = Energía Eléctrica consumida (kWh)

c = Cargo tarifario establecido por CONELEC (USD/kWh)

Cálculo Modelo para un tiempo de 2 min de uso:

4.5. Cálculo del factor para determinar biomasa en función del volumen de muestra de

cultivo de microalgas.

0,0130 g de biomasa se logran separar en promedio de 10 mL de cultivo que se centrifuga como

se observa en las tablas de los datos obtenidos, por lo tanto:

( )

( )

(12)

Cálculo Modelo de biomasa a obtener para 300 mL de cultivo que es la capacidad máximas del

volumen de la centrifugadora usada en el laboratorio mediante el factor de conversión:

(13)

4.6 Cálculo de la cantidad de aceite contenido en la biomasa separada.

De acuerdo con la cantidad de aceite que se obtiene de la microalga según el cuadro 2 se tiene:

(14)

49

Cálculo Modelo para 0,39 g de biomasa seca:

4.7 Cálculo de la cantidad de energía producida por cada gramo de aceite obtenido.

4.7.1. Cálculo de la energía del aceite producido

(15)

En donde:

E = Energía producida (J)

= Kilogramos de aceite obtenidos ( kg )

= Poder Calórico del aceite de Microalgas = 35,8 (MJ/kg) dato obtenido de la tabla 35.

Cálculo modelo para 0.1248 g de aceite obtenido de los cálculos anteriores:

4.7.2. Cálculo de la energía en kWh del aceite producido.

( ) ( )

( )

( )

(

) (16)

Cálculo modelo para 2 min de centrifugación:

( )

50

4.8. Cálculo del factor de conversión de muestra de cultivo a energía producida en kWh.

( ) ( )

( ) ( ) (

) (17)

4.9. Cálculos para optimizar el proceso de centrifugación

4.9.1. Determinación del volumen mínimo a centrifugar.- Con el resultado del cálculo 4.4.1,

se obtiene que el uso de la centrifugadora por 2 min consume por lo tanto si se

reemplaza esta cantidad de energía en la Ec. 17 para determinar la cantidad de volumen

necesario para igualar la energía consumida con la energía producida y tener un costo $0 de

separación se tiene:

( ) ( )

(

)

(

) (18)

4.9.2. Cálculo de la densidad del cultivo de microalgas

(19)

En donde:

= masa promedio del cultivo de microalgas ( g )

= Volumen promedio del cultivo de microalgas ( mL )

= Densidad del cultivo de microalgas ( g/mL)

51

Cálculo realizado con la información de la tabla 36.

4.9.3. Cálculo de la masa del cultivo para el volumen óptimo de centrifugación. De la Ec. 19

se despeja la masa:

4.9.4. Determinación de la factibilidad de centrifugar el volumen mínimo. De acuerdo con

las especificaciones de la centrifugadora, se puede alcanzar una energía cinética de 51700 J, si

se calcula la energía cinética necesaria para centrifugar el volumen óptimo se tiene:

Energía Cinética:

(20)

En donde:

Ec = Energía Cinética (J)

m = masa del cultivo de microalgas (kg)

V = Velocidad lineal (m/s)

Velocidad Lineal a partir de la velocidad Angular:

(21)

En donde:

V = Velocidad Lineal (m/s)

W = velocidad angular (rad/s)

r = radio de giro del rotor de la centrifugadora ( m )

52

Velocidad Angular en (rad/s)

(22)

En donde:

W = Velocidad angular (rad/s)

ω = Velocidad angular (RPM)

Los resultados obtenidos muestran que para separar la biomasa del cultivo de microalgas es

suficiente una ω = 3500 RPM por 2 min, el rotor de la centrífuga tiene 6,1 cm de radio de giro.

Por lo tanto la Energía Cinética necesaria para centrifugar el volumen óptimo será:

Cálculo de la velocidad angular en (rad/s)

Cálculo de la velocidad lineal en (m/s)

(

) ( )

Cálculo de la energía cinética necesaria:

( )( )

La energía obtenida es menor a la máxima energía de la centrifugadora, por lo que si es factible

centrifugar el volumen mínimo de cultivo de microalgas en una centrifugadora con las mismas

especificaciones técnicas usada en la experimentación.

Logrando así un costo de separación de $0. Representa un 3% de la máxima capacidad de la

centrifugadora.

53

5. RESULTADOS

5.1. Resultados de la densidad celular, biomasa separada y rendimiento de centrifugación.

5.1.1. Resultados para el ensayo A1.

Tabla 37. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo A1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra

Densidad Celular

Remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación

(cel / mL) (cel / mL) (g) %

12

46075000

33725000 0,0065 26,8041

6 31020000 0,0101 32,6750

7 32940000 0,0082 28,5079

PROMEDIO 32561667 0,0083 29,3290



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra

Densidad Celular del

remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


6

46075000

22935000 0,0123 50,2225

8 22260000 0,0093 51,6875

9 23940000 0,0059 48,0412

PROMEDIO 23045000 0,0092 49,9837

54



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


12

46075000

16725000 0,0069 63,7005

6 17130000 0,0162 62,8215

7 17100000 0,0073 62,8866

PROMEDIO 16985000 0,0101 63,1362

5.1.4. Resultados para el ensayo B1.

Tabla 40. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo B1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1

46075000

15325000 0,0096 66,7390

12 14550000 0,0126 68,4211

13 15330000 0,0147 66,7282

PROMEDIO 15068333 0,0123 67,2961



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


3

46075000

8200000 0,0120 82,2029

14 7500000 0,0097 83,7222

15 8125000 0,0152 82,3657

PROMEDIO 7941667 0,0123 82,7636

55

5.1.6. Resultados para el ensayo B3


No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


6

46075000

4575000 0,0123 90,0705

16 3762500 0,0185 91,8340

17 4162500 0,0139 90,9658

PROMEDIO 4166667 0,0149 90,9568



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


8

46075000

2987500 0,0121 93,5160

18 2767500 0,0148 93,9935

19 2467500 0,0147 94,6446

PROMEDIO 2740833 0,0139 94,0514

5.1.8. Resultados para el ensayo C1.

Tabla 44. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo C1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


18 46075000 4787500 0,0154 89,6093

1 45690000

4835000 0,0115 89,4178

2 4975000 0,0112 89,1114

PROMEDIO 4865833 0,0127 89,3795

56



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


10 46075000 3050000 0,0123 93,3804

3 45690000

3240000 0,0154 92,9087

4 3380000 0,0126 92,6023

PROMEDIO 3223333 0,0134 92,9638



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1 46075000 1885000 0,0097 95,9088

6 45690000

2340000 0,0123 94,8785

7 2302500 0,0091 94,9606

PROMEDIO 2175833 0,0104 95,2493



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


3 46075000 1087500 0,0113 97,6397

8 45690000

1530000 0,0115 96,6513

9 1485000 0,0122 96,7498

PROMEDIO 1367500 0,0117 97,0136

57

5.1.12. Resultados para el ensayo D1.

Tabla 48. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo D1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


2 37725000 1425000 0,0095 96,2227

10 45690000

2425000 0,0101 94,6925

11 2265000 0,0110 95,0427

PROMEDIO 2038333 0,0102 95,3193



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1 37725000 1435000 0,0162 96,1962

12 45690000

1865000 0,0113 95,9181

13 1770000 0,0118 96,1261

PROMEDIO 1690000 0,0131 96,0801



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


7 37725000 595000 0,0194 98,4228

14 45690000

1220000 0,0126 97,3298

15 762500 0,0132 98,3311

PROMEDIO 859167 0,0151 98,0279

58



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


6 37725000 1550000 0,0157 95,8913

16 45690000

2210000 0,0155 95,1631

17 2335000 0,0139 94,8895

PROMEDIO 2031667 0,0150 95,3146

5.1.16. Resultados para el ensayo E1.

Tabla 52. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo E1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


2 46176000 1740000 0,0142 96,2318

18 45690000

1255000 0,0125 97,2532

19 1242500 0,0130 97,2806

PROMEDIO 1412500 0,0132 96,9219



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


6 46176000 935000 0,0090 97,9751

1 48480000

1322500 0,0162 97,2721

2 1397500 0,0147 97,1174

PROMEDIO 1218333 0,0133 97,4549

59



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1 46176000 897500 0,0092 98,0563

3 48480000

1317500 0,0092 97,2824

4 1400000 0,0179 97,1122

PROMEDIO 1205000 0,0121 97,4836



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


12 46176000 697500 0,0092 98,4895

6 48480000

1047500 0,0131 97,8393

7 1020000 0,0163 97,8960

PROMEDIO 921667 0,0129 98,0749

5.1.20. Resultados para el ensayo F1.

Tabla 56. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo F1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1 46176000 1807500 0,0102 96,0856

8 48480000

1417500 0,0122 97,0761

9 1307500 0,0152 97,3030

PROMEDIO 1510833 0,0125 96,8216

60



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


4 46176000 1440000 0,0107 96,8815

10 48480000

1062500 0,0173 97,8084

11 1217500 0,0154 97,4887

PROMEDIO 1240000 0,0145 97,3928



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


8 46176000 1072500 0,0126 97,6774

12 48480000

970000 0,0156 97,9992

13 1045000 0,0120 97,8445

PROMEDIO 1029167 0,0134 97,8403



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


11 46176000 690000 0,0113 98,5057

14 48480000

750000 0,0164 98,4530

15 737500 0,0160 98,4788

PROMEDIO 725833 0,0146 98,4791

61

5.1.24. Resultados para el ensayo G1.

Tabla 60. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo G1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1 46000000 940000 0,0099 97,9565

16 48480000

1050000 0,0170 97,8342

17 907500 0,0121 98,1281

PROMEDIO 965833 0,0130 97,9729



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


4 46000000 560000 0,0105 98,7826

18 48480000

437500 0,0137 99,0976

19 597500 0,0154 98,7675

PROMEDIO 531667 0,0132 98,8826



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


8 46000000 445000 0,0104 99,0326

1 34530000

632500 0,0114 98,1683

2 690000 0,0104 98,0017

PROMEDIO 589167 0,0107 98,4009

62



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


13 46000000 487500 0,0103 98,9402

3 34530000

542500 0,0102 98,4289

4 645000 0,0123 98,1321

PROMEDIO 558333 0,0109 98,5004

5.1.28. Resultados para el ensayo H1.

Tabla 64. Densidad celular, biomasa y rendimiento de centrifugación del ensayo H1

No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


1 25950000 630000 0,0098 97,5723

6 34530000

1050000 0,0131 96,9592

7 907500 0,0095 97,3719

PROMEDIO 862500 0,0108 97,3011



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


4 25950000 402500 0,0097 98,4489

8 34530000

437500 0,0099 98,7330

9 597500 0,0099 98,2696

PROMEDIO 479167 0,0098 98,4838

63



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


8 25950000 347500 0,0099 98,6609

10 34530000

632500 0,0089 98,1683

11 695000 0,0087 97,9873

PROMEDIO 558333 0,0092 98,2721



No.

Tubo

Densidad Celular de

la muestra


remanente líquido

Biomasa

separada

Rendimiento de

Centrifugación


11 25950000 360000 0,0098 98,6127

12 34530000

542500 0,0078 98,4289

13 645000 0,0116 98,1321

PROMEDIO 515833 0,0097 98,3912

5.2. Resultados del promedio de biomasa separada.

Tabla 68. Promedio de biomasa separada para cada ensayo

BIOMASA SEPARADA

(g)

1 2 3 4

W (RPM) 2 min 4 min 6 min 8 min

A 500 0,0000 0,0083 0,0092 0,0101

B 1000 0,0123 0,0123 0,0149 0,0139

C 1800 0,0127 0,0134 0,0104 0,0117

D 2500 0,0102 0,0131 0,0151 0,0150

E 3500 0,0132 0,0133 0,0121 0,0129

F 4500 0,0125 0,0145 0,0134 0,0146

G 5500 0,0130 0,0132 0,0107 0,0109

H 6500 0,0108 0,0098 0,0092 0,0097

PROMEDIO 0,0106 0,0122 0,0119 0,0123

64

Gráfico 1. Biomasa separada Vs. Velocidad angular

5.3. Resultados del promedio de rendimiento de separación por centrifugación

Tabla 69. Promedio del porcentaje de separación por centrifugación

RENDIMIENTO DE CENTRIFUGACIÓN (%)

ENSAYO A B C D E F G H

t(min) 500

RPM

1000

RPM

1800

RPM

2500

RPM

3500

RPM

4500

RPM

5500

RPM

6500

RPM

2 min. 67,30 89,38 95,32 96,92 96,82 97,97 97,30

4 min. 29,33 82,76 92,96 96,08 97,45 97,39 98,88 98,48

6 min. 49,98 90,96 95,25 98,03 97,48 97,84 98,40 98,27

8 min. 63,14 94,05 97,01 95,31 98,07 98,48 98,50 98,39

PROMEDIO 47,48 83,77 93,65 96,19 97,48 97,63 98,44 98,11

0,0080

0,0090

0,0100

0,0110

0,0120

0,0130

0,0140

0,0150

0,0160

500 1000 1800 2500 3500 4500 5500 6500

BIO

MA

SA (

g )

Velocidad Angular (RPM)

Biomasa Vs. Velocidad Angular

2 min

4 min

6 min

8 min

65

5.3.1. Diagramas de los resultados de centrifugación.

Gráfico 2. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

500RPM

1000RPM

1800RPM

2500RPM

3500RPM

4500RPM

5500RPM

6500RPM

% R

end

imie

nto

Velocidad Angular ( RPM )

Rendimiento de Centrifugación a t=cte

2 min.

4 min.

6 min.

8 min.

66

Gráfico 3. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular

Gráfico 4. % Rendimiento de centrifugación Vs. Velocidad angular (t = 2 min.)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 min. 4 min. 6 min. 8 min.

% R

end

imie

nto

Tiempo de Centrifugación

Rendimiento de Centrifugación a W=cte

500 RPM

1000 RPM

1800 RPM

2500 RPM

3500 RPM

4500 RPM

5500 RPM

6500 RPM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

500 RPM 1000RPM

1800RPM

2500RPM

3500RPM

4500RPM

5500RPM

6500RPM

% R

end

imie

nto

Rendimiento de Centrifugación t = 2 min.

67




20

30

40

50

60

70

80

90

100

500 RPM 1000 RPM 1800 RPM 2500 RPM 3500 RPM 4500 RPM 5500 RPM 6500 RPM

% R

en

dim

ien

to


40

50

60

70

80

90

100


% R

en

dim

ien

to


60

70

80

90

100


% E

fici

en

cia


68

5.3.2. Análisis de separación de biomasa por centrifugación

Tabla 70. Rendimiento de separación promedio por centrifugación

V (RPM)

%

Separación

Promedio

500 47,48

1000 83,77

1800 93,65

2500 96,19

3500 97,48

4500 97,63

5500 98,44

6500 98,11

Gráfico 8. % Rendimiento de centrifugación promedio Vs. Velocidad angular

Se observa que esta curva presenta dos comportamientos para lo que se procede al cálculo de

una función a trozos, para dominios entre (500-2500) RPM llamada tramo 1 (T1) y entre (2500-

6500) RPM llamada tramo 2 (T2).

0

20

40

60

80

100

120

500 1000 1800 2500 3500 4500 5500 6500Re

nd

imie

nto

de

Ce

ntr

ifu

gaci

ón

Pro

me

dio

Velocidad Angular (RPM)

% Separación Promedio

T1 T2

69

Tabla 71. Cálculo de la función teórica para T1 de la separación por centrifugación.

a) FUNCIÓN TEÓRICA PARA EL TRAMO 1:

( ) (23)

b) COEFICIENTE DE CORRELACIÓN: R2 = 0.963

Gráfico 9. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico T1 Vs. Velocidad angular

0

20

40

60

80

100

120

500 1000 1800 2500

Títu

lo d

el e

je

% Separación Promedio y % Separación Teórico para T1

% SeparaciónPromedio

% SeparaciónTeórico

V (RPM)

%

Separación

Promedio

%

Separación

Teórico

Yexp - Y teo Yexp - Yprom (Yexp - Y teo)^2 (Yexp - Yprom)^2

500 47,48 51,08 -3,597 -32,7925 12,94238608 1075,348056

1000 83,77 77,95 5,816 3,4975 33,82649776 12,23250625

1800 93,65 90,66 2,986 13,3775 8,919703497 178,9575063

2500 96,19 96,75 -0,555 15,9175 0,308457336 253,3668063

PROMEDIO 80,2725

SUMA TOTAL 55,99704467 1519,904875

R^2 0,963157533

70

Tabla 72. Cálculo de la función teórica para T2 de la separación por centrifugación.

V (RPM)

%

Separación

Promedio

%

Separación

Teórico

Yexp - Y teo Yexp - Yprom (Yexp - Y teo)^2 (Yexp - Yprom)^2

500 47,48

1000 83,77

1800 93,65

2500 96,19 96,824046 -0,63404601 7,09625 0,402014344 50,35676406

3500 97,48 97,1605182 0,319481753 8,38625 0,10206859 70,32918906

4500 97,63 97,4118327 0,218167324 8,53625 0,047596981 72,86756406

5500 98,44 97,6125034 0,827496629 9,34625 0,684750671 87,35238906

6500 98,11 97,7795575 0,330442544 9,01625 0,109192275 81,29276406

PROMEDIO 89,09375 SUMA TOTAL 1,345622861 362,1986703

R^2 0,996284849

c) FUNCIÓN TEÓRICA PARA EL TRAMO 2:

(24)

d) COEFICIENTE DE CORRELACIÓN: R2 = 0.996

Gráfico 10. % Rendimiento de centrifugación promedio y teórico T2 Vs. Velocidad

angular

0

20

40

60

80

100

120

500 1000 1800 2500 3500 4500 5500 6500

% Separación Promedio y % Separación Teórico para T2

% Separación Promedio % Separación Teórico

71

Gráfico 11. % Rendimiento de centrifugación teórico Vs. Velocidad angular

40

50

60

70

80

90

100

110%

Ren

dim

ien

to

Velocidad de Centrifugación (RPM)

Comportamiento Teórico de Separación de Biomasa por Centrifugación

Tramo 1

Tramo 2

72

5.4 Resultados de la energía producida de la biomasa y energía cinética necesaria para la centrifugación.

Tabla 73. Tabla de resultados de energía producida y energía necesaria para la centrifugación de biomasa.

VELOCIDAD DE CENTRIFUGACIÓN = 3500 RPM Radio de Giro

Máximo (m) 0,45

VOLUMEN

Cultivo

mL

VOLUMEN

Cultivo

(L)

MASA DEL

CULTIVO

(kg)

BIOMASA

SECA

(g)

Aceite

(kg)

Energía Producida

del Aceite de

Microalgas (J)

Energía

Producida

(KWh)

Energía Cinética

Necesaria

en función del Radio

de Giro (J)

Energía Cinética Necesaria

en función del Radio de Giro

(KWh)

10 0 0,01 0 0,000 148,93 0,000 133,522 0,000

300 0 0,29 0 0,000 4467,84 0,001 4005,651 0,001

1000 1 0,98 1 0,000 14892,80 0,004 13352,170 0,004

3000 3 2,94 4 0,001 44678,40 0,012 40056,509 0,011

6000 6 5,89 8 0,002 89356,80 0,025 80113,018 0,022

6581 7 6,46 9 0,003 98009,52 0,027 87870,628 0,024

10000 10 9,81 13 0,004 148928,00 0,041 133521,696 0,037

20000 20 19,62 26 0,008 297856,00 0,083 267043,392 0,074

60000 60 58,87 78 0,025 893568,00 0,248 801130,176 0,223

80000 80 78,50 104 0,033 1191424,00 0,331 1068173,568 0,297

100000 100 98,12 130 0,042 1489280,00 0,414 1335216,960 0,371

200000 200 196,24 260 0,083 2978560,00 0,828 2670433,920 0,742

500000 500 490,60 650 0,208 7446400,00 2,070 6676084,800 1,856

800000 800 784,96 1040 0,333 11914240,00 3,312 10681735,680 2,970

900000 900 883,08 1170 0,374 13403520,00 3,726 12016952,640 3,341

1000000 1000 981,20 1300 0,416 14892800,00 4,140 13352169,600 3,712

2000000 2000 1962,40 2600 0,832 29785600,00 8,280 26704339,200 7,424

2500000 2500 2453,00 3250 1,040 37232000,00 10,350 33380424,000 9,280

Se considera una potencia eléctrica de centrifugadora de 900W.

73

Gráfico 12. Energía (J) Vs Volumen de cultivo (L)

y = 14893x R² = 1

y = 13352x + 1E-08 R² = 1

0

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

35000000

40000000

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Ene

rgía

(J)

Volumen de Cultivo (L)

Energía Vs Volumen de Cultivo

Energía Producidadel Aceite de Microalgas(J)

Energía Cinética Necesariaen función del Radio de Giro(J)

Lineal (Energía Producidadel Aceite de Microalgas(J))

Lineal (Energía Cinética Necesariaen función del Radio de Giro(J) )

74

Gráfico 13. Biomasa seca (g) Vs Volumen de cultivo (L)

Gráfico 14. Aceite de microalgas (kg) Vs. Biomasa seca (g)

Función de Energía Cinética necesaria: y = 13352x + 1E-08

Función de Energía Producida de la Biomasa: y = 14893x

y = 1,3x + 3E-13 R² = 1

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 500 1000 1500 2000 2500

Bio

mas

a Se

ca (

g)

Volumen (L)

Biomasa Seca Vs. Volumen de Cultivo

Biomasa Seca

Lineal (Biomasa Seca)

y = 0,0003x R² = 1

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ace

ite

de

Mic

roa

lgas

Ch

ole

rella

sp

. (K

g)

Biomasa Seca (g)

Aceite de Microalgas Vs. Biomasa Seca

Aceite(kg)

Lineal (Aceite(kg))

75

6. DISCUSIÓN

En la realización del trabajo para la optimización de la separación de biomasa proveniente

de microalgas por centrifugación, fue necesario alcanzar la fase estacionaria de

crecimiento, esta fase duró dos meses, en este lapso de tiempo las microalgas alcanzaron su

mayor densidad celular, fue indispensable llegar a esta fase, para que el uso de energía

eléctrica en el proceso de cosechado no fuera utilizada ineficientemente en relación con la

energía que proviene de la biomasa que se separa.

La teoría del cultivo de microalgas indica que estos microorganismos requieren completa

asepsia durante su crecimiento ya que son muy susceptibles a contaminarse con

microorganismos parásitos provenientes incluso del aire, en la experimentación un cultivo

de 3 L se contaminó, deteniendo el crecimiento de las microalgas hasta que murieron, este

evento no se lo considera como una variable que influya en la optimización del proceso de

centrifugación ya que la investigación inicia con cultivos de microalgas en fase estacionaria

de crecimiento independientemente de su obtención.

Se estableció la mínima velocidad angular para separar biomasa del cultivo de manera

visual, mediante procesos de centrifugación con velocidades angulares desde 300 RPM,

logrando identificar que la mínima velocidad de centrifugación es 500 RPM en un tiempo

de 2 min como se observa en los anexos E, F, G.

Considerando el número de ensayos que debían efectuarse para el análisis de

centrifugación, se estableció que el volumen de cultivo a centrifugar en la experimentación

sea de 10 mL, ya que el de cultivo de microalgas con alta densidad celular necesita mucho

tiempo y cuidado para obtenerse, y solamente se disponía de aproximadamente 3 L de

cultivo ya que otra muestra de 3 L se contaminó.

En el análisis de centrifugación se logró observar que desde 3500 RPM como velocidad de

centrifugación, indistintamente del tiempo, el rendimiento de separar la biomasa fue

semejante para velocidades mayores, obteniéndose valores entre un 97% y 98% en

promedio del rendimiento de separación de biomasa.

76

La cantidad de biomasa que se logró separar indica una dependencia directamente

proporcional a la densidad celular en el cultivo de microalgas; es decir, a mayor densidad

celular, mayor biomasa.

La menor cantidad de biomasa obtenida fue 0,0069 g en promedio para una centrifugación

con velocidad de 500 RPM, y la mayor cantidad de biomasa obtenida fue 0,0130 g en

promedio en velocidades desde los 2500 RPM y mantiene una tendencia constante en

rendimiento de separación para mayores velocidades.

Los resultados de biomasa separada en el ensayo de centrifugación con velocidad de 6500

RPM son de 0,009 g (una cantidad de biomasa menor al promedio de los anteriores

ensayos) presentando una alto rendimiento de separación ya que en este último ensayo no

se disponía de un cultivo con alta densidad celular ya que fue necesario realizar una

dilución 50/50 del cultivo que sobraba.

Para interpretar el comportamiento de separación de la biomasa de microalgas por

centrifugación se realizó una regresión de la curva promedio del rendimiento de separación

en función de la velocidad de centrifugación en promedio obtenida experimentalmente,

separándola en dos tramos ya que presenta dos comportamientos distintos para una

velocidad de centrifugación entre (500-2500) RPM y (2500-6500) RPM obteniéndose un

coeficiente de correlación alto.

Para el análisis de la energía que puede obtenerse a partir de la biomasa separada se

establece que los parámetros de centrifugación que logran un buen rendimiento de

separación son una velocidad de 3500 RPM durante dos minutos, ya que para valores

mayores de velocidad y tiempo no se consigue mejorar el rendimiento porque la tendencia

del rendimiento de separación se vuelve constante.

La energía eléctrica consumida por la centrifugadora durante los 2 min de uso, según el

dato de potencia eléctrica de consumo, da como resultado un valor de 0,0283 kWh,

mostrando diferencia con la energía producida por la biomasa que es de 0,00124 kWh con

respecto a la cantidad de biomasa obtenida, esto quiere decir que la energía consumida para

separar la biomasa, representa un 210% de la energía que se produce, lo que indica que este

proceso debe ser optimizado para reducir costos de separación de biomasa.

Para optimizar el proceso de centrifugación para separar biomasa proveniente de

microalgas, se procedió a calcular la energía producida por la biomasa en relación con la

77

energía cinética necesaria para centrifugar la misma cantidad de biomasa, logrando reducir

la energía consumida para un tiempo de uso de 2 min, una velocidad angular de 3500 RPM

y un radio de giro máximo de 0,45 m lográndose en relación a la cantidad de energía que

se produce de la biomasa separada.

Es importante destacar, que de acuerdo con los resultados obtenidos en la investigación

demuestran que es factible separar la biomasa proveniente de microalgas mediante

centrifugación sin generar costos por consumo eléctrico, ya que los valores de tiempo,

rapidez y radio de giro de la centrifugación son posibles efectuar mediante el diseño de un

equipo de centrifugación con potencia eléctrica de máximo 900 W.

El volumen mínimo de cultivo a centrifugar para equilibrar la energía de consumo eléctrico

de la centrifugadora (cuya potencia es de 850 W ) con la energía producida por la biomasa

separada debe ser 6,840 L, el cual requiere 1677,95 J en energía cinética. Las

especificaciones técnicas de la centrifugadora indican que su capacidad máxima es de

51700 J en energía cinética; por lo tanto, la energía requerida representa un 3% de su

capacidad.

Los resultados obtenidos en la investigación demuestran que es factible lograr separar

biomasa por centrifugación sin generar costos, ya que se puede lograr una separación de

biomasa con un alto rendimiento a una velocidad de centrifugación de 3500 RPM durante 2

min, el volumen a centrifugar dependerá de la centrifugadora, su potencia eléctrica y radio

de giro del rotor.

78

7. CONCLUSIONES

Se puede separar biomasa de un cultivo de microalgas Chlorella con una velocidad angular

mínima de 500 RPM obteniendo un rendimiento de separación de 30% y alcanzando un

máximo rendimiento de 98% con velocidades angulares desde 3500 RPM en adelante.

Se observó que velocidades angulares de centrifugación de 500 RPM, 1000 RPM y 1800

RPM son ineficientes ya que se obtienen rendimiento de separación de biomasa entre 30% y

94%, además que requieren altos valores de tiempo para mejorar la separación.

Para velocidades angulares desde 2500 RPM hasta 6500 RPM se obtienen rendimientos de

separación de Biomasa por centrifugación entre 95% y 98%, observándose un

comportamiento constante, ya que a mayores velocidades angulares y tiempo, el porcentaje

de rendimiento de separación no cambia.

El proceso de centrifugación para separar biomasa presentó un comportamiento logarítmico

en función de la velocidad de centrifugación del cual se obtuvieron dos funciones

logarítmicas para los dos tramos de la curva obtenida.

Del análisis de centrifugación para separar biomasa de un cultivo de microalgas, se obtiene

que en promedio el porcentaje de rendimiento de separación es 96,5%.

De los resultados obtenidos en el rendimiento de separación por cada ensayo de

centrifugación se logra rendimientos de separación promedio a una velocidad angular de

3500 RPM durante 2 min, estableciendo esta velocidad y tiempo como los parámetros

máximos para separar biomasa por centrifugación.

La cantidad de biomasa separada es directamente proporcional a la densidad celular del

cultivo de microalgas.

Para optimizar el proceso de separación por centrifugación se debe disponer de cultivos de

microalgas en su fase estacionaria de crecimiento para asegurar la separación de la máxima

cantidad de biomasa.

79

Se logró minimizar la energía necesaria para centrifugar un cultivo de microalgas Chlorella

sp., estableciendo como parámetros óptimos:

o Velocidad angular máxima= 3500 RPM

o Tiempo de centrifugación máximo= 2 min.

o Radio de Giro Máximo = 45 cm

o Densidad Celular = Máxima (fase estacionaria de

crecimiento de la microalga)

En el caso de la centrifugadora usada en el Laboratorio del INER cuya potencia eléctrica es

de 850 W, los parámetros específicos son:

o Velocidad angular máxima= 3500 RPM

o Tiempo de centrifugación máximo= 2 min.

o Volumen de Cultivo mínimo= 6,840 L

o Densidad Celular = Máxima (fase estacionaria de

crecimiento de la microalga)

Con estos parámetros la separación de biomasa por centrifugación no generaría costo.

80

8. RECOMENDACIONES

Investigar los ensayos de centrifugación para otras especies de microalgas con mayor

contenido de aceite, por ejemplo, la Microalga Schizochytrium sp. puede generar entre el

50% y 77% de aceite en relación con la Chlorella que solo genera un máximo 32% como se

muestra en el cuadro 2.

Se pueden realizar pretratamientos que modifiquen el tamaño de las partículas y mejorar la

sedimentación del cultivo de microalgas que se va a centrifugar, mediante una floculación

y sedimentación, y solamente centrifugar el volumen de cultivo con mayor concentración

de células sedimentadas.

Realizar el diseño de una centrifugadora prototipo que pueda cumplir con las

especificaciones óptimas de centrifugación que se obtuvieron en este trabajo.

Analizar la pre factibilidad de realizar pretratamientos de separación de las microalgas, en

función de los costos que representa usar floculantes o coagulantes con relación al valor de

la energía producida.

Investigar el comportamiento de generar energía de biomasa de microalgas analizando el

consumo de energía en distintas centrifugadoras, tomando como variables su capacidad en

volumen de centrifugación y potencia eléctrica.

Estudiar el comportamiento energético en todos los procesos de las microalgas para obtener

biodiesel, y considerar cómo influye la susceptibilidad de contaminación de estos

microorganismos en la factibilidad de su procesamiento como un recurso bioenergético

rentable.

81

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

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aceite en cuatro Microalgas nativas de las Provinciasecuatorianas de Orellana, Esmeraldas,

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[6] XII JORNADAS AMBIENTALES. (1°, 2008, Salamanca – España) Energías y Cambio

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[7] Ibíd., p.34

[8] Ibíd., p. 45

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84

ANEXOS

85

Anexo A. Cultivo 1 microalgas Chlorella Sp.

86

Anexo B. Cultivo 2 microalgas Chlorella Sp.

87

Anexo C. Cultivo escalado del cultivo 2

Anexo D. Muestras de cultivo de microalgas para centrifugar

88

Anexo E. Muestra centrifugada a 300 RPM

89

Anexo F. Muestra centrifugada a 400 RPM

90

Anexo G. Muestra centrifugada a 500 RPM

91

Anexo H. Muestra centrifugada a 3500 RPM.

Anexo J. Residuo líquido después de centrifugar

92

Anexo K. Biomasa separada y seca en los tubos de centrifugación

93

Anexo L. Biomasa seca recolectada en el análisis de centrifugación.

Anexo M. Balanza analítica laboratorio INER

94

Anexo N. Potenciómetro laboratorio INER

Anexo P. Microscopio laboratorio INER

95

Anexo Q. Datos de potencia del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio INER

96

Anexo R. Datos del manual técnico de la centrifugadora del laboratorio INER

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OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE CENTRIFUGACIÓN PARA … · tu amor y comprensión me han permitido llegar hasta esta meta. A mi hijo Samuel, que ha sido mi compañía y por quien es