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MS – MA – 7 Producción de etanol a partir de las microalgas


Categoría: Medio Superior (Preparatoria)
Área de participación: Medio Ambiente

Equipo: Los investigadores

Miembros del equipo:
Isabel Roa Mecott
David Emanuel Campos Mejía
Valeria Bastida Olvera

Asesor: Leticia Soto Otero

Escuela: Colegio CarolBaur

Resumen

A partir de la fase de cultivo, las microalgas, al ser un organismo autótrofo consumirán agua y CO2  en su proceso de respiración y fotosíntesis, en el cual se producirá oxígeno y glucosa, este proceso ayuda al ambiente a absorber este gas, uno de los causantes del efecto invernadero.

Después de esto, comenzará el proceso de extracción de la biomasa, azúcares y lípidos que será fermentada por una levadura, la cual en su respiración anaeróbica comenzará un proceso de fermentación alcohólica, creando los productos CO2 y C2 H5 OH.

Cómo podemos observar, la reacción, que inicialmente necesita de 6 moléculas de dióxido de carbono en la fotosíntesis, después del proceso de fermentación alcohólica sólo libera dos moléculas de dióxido de carbono, es decir, es negativo en emisiones de carbono, pues los otros cuatro carbonos restantes quedan acoplados en 2 moléculas de alcohol, y se generaron seis moléculas de oxígeno en el proceso.

Uno de los residuos de esta fermentación es el alcohol etílico, que bien podría ser usado como combustible, lo cual dejaría al proceso como neutro en emisiones de CO2 al liberar los carbonos en el alcohol.

Sin embargo la combustión del alcohol producido no mejoraría el ambiente y la falta de oxígeno podría provocar la emisión de monóxido de carbono, la cual es mucho más dañina para el ambiente y la salud pública, inspeccionando las características del alcohol etílico, en una mezcla que contenga 50% Alcohol y 50% Agua, se bajaría la temperatura de congelación con respecto al agua, evitando su expansión y cristalización bajo temperaturas de 0° Celsius, e incrementa la temperatura de ebullición del etanol puro a sobre 78° Celsius, así como neutralizar la inflamabilidad del alcohol puro, el alcohol también puede recibir una mayor cantidad de energía térmica más rápido que el agua pura, el anticongelante tradicional (Etilenglicol), tiene estas propiedades a una mayor escala, sin embargo este es muy tóxico y su producción implica el proceso de combustión parcial de etileno para reaccionar con agua y formar el anticongelante y este proceso puede no ser negativo en emisiones de carbono.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

¿Cómo se puede producir un compuesto orgánico sin extraer hidrocarburos y capturando dióxido de carbono?

Antecedentes

El CO2, dióxido de carbono, es el principal gas de efecto invernadero de origen humano. Significa que contribuye al calentamiento global, cuyas consecuencias notamos a diario. Es incoloro y carece de olor. Está presente de forma natural en la atmósfera y, sí, forma parte esencial de nuestro organismo.

Según la Organización Meteorológica Mundial, el año 2018 cerró con 407,8 partes de CO2 por millón de partículas (ppm). Eso confirma el crecimiento sostenido desde hace décadas en la presencia de este gas. 2017 marcó un récord de 405,5. En 2015 se superó por primera vez en, al menos 3 millones de años, la barrera de las 400 ppm.

El CO2  permanece en la atmósfera durante siglos y en los océanos por más tiempo. Por su parte, las concentraciones de metano y óxido nitroso también aumentaron en mayores cantidades que durante la última década.

Desde 1990, ha habido un aumento del 43% en el forzamiento radiativo total, el efecto de calentamiento sobre el clima, por los gases de efecto invernadero de larga duración. El CO2 es responsable de  aproximadamente el 80% de esto, según esta organización.

Hay una preocupación creciente por reducir las emisiones de CO2, especialmente en las ciudades.  La quema de carbón para producir electricidad o calor y el transporte son las principales fuentes de este contaminante. Pero no es el humo negro que sale de los tubos de escape. De hecho, si de las chimeneas o escapes sólo saliese dióxido de carbono, podríamos respirar sin demasiado problema sus ‘humos’, siempre que no superasen las 40.000 partes de carbono por millón de partículas (ppm) o entrar en un recinto cerrado donde el más de 5% del aire sea dióxido de carbono. Por fortuna, estamos lejos de exponernos a esa cifra. A diferencia de su hermano, el CO –el de las estufas y los coches–, el del CO2 no es un problema de salud respiratoria, sino de salud planetaria.

Atrás quedaron los tiempos en que los volcanes inyectaban la mayoría del CO2 a la atmósfera. A nivel global, la mitad del CO2 de origen humano procede de la quema de combustibles para producir electricidad. Le sigue la quema de carburantes  para el transporte (20%) –aviones y automóviles, sobre todo– y los procesos de la industria (19%).Las microalgas poseen una capacidad ficorremediadora que consiste en la eliminación o biotransformación de contaminantes de un medio líquido o gaseoso. Estos compuestos contaminantes son captados por la biomasa algal y pueden ser recuperados mediante su cosecha. Esta capacidad resulta en un sistema de cultivo con 2 propósitos: eliminación de contaminantes y producción de biomasa con fines comerciales. Ambos objetivos dependen del sistema de cultivo, la o las especies cultivadas y los factores ambientales. La utilización de medios contaminados en el cultivo impacta directamente en los costos de producción. La elección del tipo de sistema de cultivo es importante, y debe realizarse en base a factores biológicos, técnicos, ambientales y económicos, definidos previamente. La cosecha de la biomasa algal es el procedimiento más complejo y costoso en el cultivo de microalgas, existiendo varias técnicas diferentes tanto en eficiencia como en complejidad. La producción de biomasa de microalgas ha proporcionado una amplia gama de productos biotecnológicos con usos en la industria alimenticia, salud y medicina humana, alimentación animal, compuestos orgánicos y biocombustibles. Todo esto adquiere una gran importancia debido a los problemas ambientales globales existentes en la actualidad. El presente trabajo, recopila de forma general la información actualizada (1972 a 2014) sobre diferentes aspectos y parámetros de importancia en el cultivo de microalgas, sus múltiples usos y beneficios.

 

Objetivo

En este proyecto, se propone generar etanol o alcohol etílico, extraído de un cultivo de microalgas, e implementarlo en un sistema de refrigeración construido por el alumno.

Justificación

El uso de microalgas para producir etanol captura dióxido de carbono de la atmósfera y produce un compuesto orgánico que contiene en energía y otras propiedades sin la necesidad de extraer hidrocarburos del subsuelo

A partir de la fase de cultivo, las microalgas, al ser un organismo autótrofo consumirá agua y CO2 En su proceso de respiración y fotosíntesis, en el cual se producirá oxígeno y glucosa, este proceso ayuda al ambiente a absorber este gas, uno de los causantes del efecto invernadero:

Luz solar + 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 

(Fotosíntesis)

   Después de esto, comenzará el proceso de extracción de la biomasa, azúcares y lípidos que será fermentada por una levadura, la cual en su respiración anaeróbica comenzará un proceso de fermentación alcohólica, creando los productos CO2 y C2H5OH

C6H12O6 + 2 ATP + 2 NAD + 2 Pi + 2 ADP → 2C3H4O3 + 2 NADH + 4 ATP + 2H

(Glucólisis)

 2C3H4O3 + 2NADH + 2H → 2C2H5OH + 2CO2 + 2NAD

(Fermentación Alcohólica)

 Cómo podemos observar, la reacción, que inicialmente necesita de 6 moléculas de dióxido de carbono en la fotosíntesis, después del proceso de fermentación alcohólica sólo libera dos moléculas de dióxido de carbono, es decir, es negativo en emisiones de carbono, pues los otros cuatro carbonos restantes quedan acoplados en 2 moléculas de alcohol, y se generaron seis moléculas de oxígeno en el proceso.

 Uno de los residuos de esta fermentación es el alcohol etílico, que bien podría ser usado como combustible, lo cual dejaría al proceso como neutro en emisiones de CO2 al liberar los carbonos en el alcohol:

 2C2H5OH + 6O2 → 4CO2 + 6H2O

(Combustión del alcohol)

 Sin embargo la combustión del alcohol producido liberaría el dióxido de carbono capturado y no mejoraría el ambiente, la falta de oxígeno podría provocar la emisión de monóxido de carbono, la cual es mucho más dañina para el ambiente y la salud pública, sin embargo, se genera un combustible sin la necesidad de extraer combustibles fósiles.

Inspeccionando las características del alcohol etílico, en una mezcla que contenga 50% Alcohol y 50% Agua, se bajaría la temperatura de congelación con respecto al agua, evitando su expansión y cristalización bajo temperaturas de 0° Celsius, e incrementa la temperatura de ebullición del etanol puro a sobre 78° Celsius, así como neutralizar la inflamabilidad del alcohol puro, el alcohol también puede recibir una mayor cantidad de energía térmica más rápido que el agua pura, el anticongelante tradicional (Etilenglicol), tiene estas propiedades a una mayor escala, sin embargo este es muy tóxico y su producción implica el proceso de combustión parcial de etileno para reaccionar con agua y formar el anticongelante y este proceso puede no ser negativo en emisiones de carbono.

 

Hipótesis

Sabemos que hay factores que afectan la  reproducción de las microalgas,  por lo tanto si las cuidamos y nos aseguramos de que las condiciones sean óptimas vamos a lograr una reproducción al  100%. 

Al fermentar la biomasa, azúcares y lípidos por una levadura, las microalgas podrían producir glucosa lo que daría como resultado la producción de etanol. 

 El  proceso en el que vamos a cultivar algas para obtener el etanol, nos va a servir para ayudar a reducir la cantidad de CO2 en el ambiente como efecto colateral.  

Método (materiales y procedimiento)

1.-Recolectar las muestras.

2.-Filtrar las muestras y administrar nutrientes

3.-Dejar reposar por unas semanas hasta que se observe una mayor concentración.

4.-Filtrar la muestra una vez más.

5.-Licuar la muestra para liberar los carbohidratos y preparar para la fermentación.

6.-Agregar bacterias (probióticos) para la digestión de carbohidratos complejos, dejar reposar por unos días y luego agregar levadura.

7.-Dejar reposar por una o dos semanas.

8.-Filtrar y colocar en un matraz Erlenmeyer para destilación. Filtrar y colocar en un matraz Erlenmeyer para destilación.

9.-Destilar.

Galería Método

Resultados

Se extrajo un poco de producto final a partir de la destilación de una parte de la muestra.

Galería Resultados

Discusión

Debido a que el experimento fue llevado en condiciones caseras, no se pudo extraer mucho producto final, se pueden hacer revisiones, la destilación se puede hacer por inducción eléctrica y así evitar la quema de hidrocarburos para poder extraer el etanol, debido a circunstancias fuera del experimento, se tuvo que posponer la destilación una semana, lo que significó la reducción del etanol producido.

Conclusiones

A final se pudo producir alcohol etílico que tiene varios usos a partir de un material que se produce naturalmente, se puede cultivar y no incluye la extracción de combustibles fósiles, si se quiere aplicar se tiene que optimizar y adaptar a una mayor escala.

 

Bibliografía

-Escobar, J., & et al (2013). Metabolismo Celular. Recuperado 6 de diciembre de 2020, de http://www.objetos.unam.mx/biologia/metabolismoCelular/index.html#

-Respiración celular – Unidad de Apoyo Para el Aprendizaje. (S. f.). Recuperado 27 de febrero de 2021, de http://uapas2.bunam.unam.mx/ciencias/respiracion_celular/

-La Energía de la Biomasa: Procesos de transformación de la biomasa en energía. (S. f.). Recuperado 27 de febrero de 2021, de https://fjarabo.webs.ull.es/Biomasa/Bio04/Bio04_41.htm

-Viciosa, M., (2019, Julio 25). CO2: el aire que exhalamos y que está matando el planeta | Newtral. Retrieved September 30, 2021, from Newtral website: https://www.newtral.es/que-es-co2-peligros/20190725/

 

-Hernández-Pérez, A., & Labbé, J. I. (2014). Microalgas, cultivo y beneficios. Revista de Biología Marina Y Oceanografía, 49(2), 157–173. https://doi.org/10.4067/s0718-19572014000200001

 



MS – MA – 7 Producción de etanol a partir de las microalgas


MS – MA – 7 Producción de etanol a partir de las microalgas

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography