maestr˝a en energ˝as renovables especialidad en bioenergía · 2017-09-18 · 1 centro de...
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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
AVANZADOS, S.C - UUTT
MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES
Especialidad en Bioenergía
“OBTENCION DE BIOGAS A PARTIR DE ALGAS DEL TIPOSARGASSUM DE LA PLAYA MIRAMAR DE CD. MADERO
TAMAULIPAS”
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES
PRESENTA:
ING. FERNANDO HERNANDEZ LOPEZ
DIRECTOR DE TESIS:
DR. GUILLERMO GONZALEZ SANCHEZ
ALTAMIRA, TAMAULIPAS MAYO 2014
2
RESUMEN
El presente proyecto de investigación se enfocó en la producción de biogás a
partir de las algas del tipo Sargassum que se depositan en la playa de Cd. Madero
y que son consideradas como desechos. Se ha demostrado por proyectos,
artículos e investigaciones científicas en todo el mundo que las algas tanto micro
como macro son materia orgánica que se puede aprovechar para la obtención de
biocombustibles tales como biodiesel, bioetanol y biogás. El proceso de reacción
para la obtención del biogás fue a través del proceso de fermentación anaeróbica,
donde se pudo comprobar mediante pruebas preliminares de matraces y con un
bioreactor a escala de laboratorio que este gas se produce, controlando
estrictamente las variables del proceso como: pH, Temperatura y condiciones de
anaerobicidad. Se analizaron las concentraciones de los nutrientes principales en
la reproducción y crecimiento de las algas, como nitrógeno, calcio, sodio,
magnesio, potasio, fosforo, algunos inhibidores como el azufre y análisis
bromatológicos como: contenido de carbono, materia orgánica, carbohidratos,
cenizas, fibra cruda y proteínas, para evaluar condiciones de la reacción.
Finalmente se observó que durante la reacción el pH promedio estuvo en cercano
a 7, indicando condiciones neutras que favorecieron a que la reacción fuera de
acuerdo a la secuencia de la digestión anaeróbica. La temperatura alta favorece
las condiciones mesofílicas de las bacterias metanogénicas, que en el proceso
fueron de 36°C, controlándose con un termo baño en recirculación con el reactor.
Por último, la relación más alta de producción de biogás generado en el reactor
alcanzo un promedio cercano a los 300 ml. Este proyecto aparte de conseguir el
reciclaje de la energía que pueden producir las algas de Sargassum como
sustrato, tiene la finalidad de crear una alternativa de solución a las autoridades
del Puerto como una medida de la biorremediación efectiva de la Playa.
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ABSTRACT
This research project focused on the production of biogas from algae Sargassum
type which are deposited on the beach of Madero City and are considered as
waste. It has been shown by project´s, articles and scientific research around the
world that both micro and macro algae are organic matter that can be exploited for
the production of biofuels such as biodisel, bioethanol and biogas. The reaction
process for the production of biogas was through anaerobic fermentation process,
where it was found through preliminary tests flasks and a laboratory scale
bioreactor that this gas is produced, strict control of process variables such as pH,
temperature and payment anaerobicity, carbon content, organic matter,
carbohydrates, ash concentrations of the major nutrients in reproduction and
growth of algae , such as nitrogen, calcium, sodium , magnesium, potassium,
phosphorus, some inhibitors such as sulfur and bromatologic analysis as
discussed , crude fiber and protein , to assess the conditions of reaction . Finally it
was observed that during the reaction the pH was in average near 7, indicating a
neutral condition favoring the reaction to the sequence according to anaerobic
digestion. The high temperature favors the mesophilic conditions methanogenic
bacteria, which in the process was 36 ° C, controlling a thermal bath in the reactor
recirculation. Finally , the highest ratio of biogas generated in the reactor reached
an average of about 300 ml. This project apart from getting the recycling of energy
that can produce algae Sargasso as substrate, is intended to create an alternative
solution to the port authorities as a measure of effective bioremediation Beach.
1
INTRODUCCIÓN
Uno de los biocombustibles mas comunes es el biogás, el cual se puede producir
con procesos tales como la fermentación anaerobia de algas marinas. La biomasa
de algas se puede considerar como un sustrato solido comparable con los
residuos agrícolas, con la ventaja que en su composición no posee lignina que es
un obstáculo en la degradación de la celulosa, ya que estor representa un
obstáculo en la degradación de la celulosa, evitando el uso de un pre tratamiento
en la obtención del metano.
La obtención de biocombustibles obtenidos de materias primas como plantas
comestibles es actualmente cuestionable por su repercusión negativa debido a lo
que implica para el desarrollo sostenible de la humanidad, principalmente para
países de escasa comida. El remplazar fuentes alimenticias básicas por la
producción de biocombustibles se encuentra actualmente como un dilema
principal de estos países de bajos recursos, a pesar de los beneficios a nivel
ecológico que pueden presentarse y la disminución de los gases contaminantes
que originan los combustibles fósiles.[1]
El presente proyecto de investigación pretende analizar las algas del tipo
Sargassum, que se acumulan en la Playa de Miramar en Cd. Madero y en
cualquier otra playa del Golfo de México, con el fin de poder obtener un
biocombustible rico en metano para aprovecharse en la construcción de un
quemador de biogás para aplicaciones de iluminación dentro de las palapas
situadas en la Playa.
La contaminación visual que sufre la Playa de Miramar en Cd. Madero, día a día
es excesiva con la cantidad de algas que se depositan en la mayor parte del año
en sus costas, lo anterior aparte de disminuir la cantidad de vacacionistas, provoca
un daño ambiental irreversible al atrapar en ellas las crías de la tortuga lora que
tenemos como reserva natural, además que los gases de descomposición son en
grandes cantidades, produciendo olores fétidos en la mayor parte de la orilla de la
playa.
2
Este proyecto aparte de conseguir el reciclaje de la energía que pueden producir
las algas de Sargassum como sustrato, tiene la finalidad de crear una alternativa
de solución a las autoridades del Puerto como una medida de la biorremediación
efectiva de la Playa, esto principalmente por la preocupación de que año con año
no se ha hecho nada, y que además no quieren invertir en solucionar un problema
que tal vez no sea significativo para ellos, pero para las especies marinas que
tienen que luchar por sobrevivir es un esfuerzo constante.
PROBLEMÁTICA
La dependencia que existe en el uso de los combustibles fósiles, nos está
orillando a que en el futuro, las personas que habitaran nuestro planeta, tengan
grandes posibilidades de disminuir su edad promedio de vida, ya que la
contaminación excesiva por gases de efecto invernadero ya no es un problema
reversible. Aunado a ello, la contaminación de los mantos acuíferos por
hidrocarburos, la contaminación del aire por SOx y NOx, además de la tala
descontrolada de árboles, y muchos más cuestiones que no se tienen en cuenta,
pero que poco a poco nos estamos acabando nuestro planeta.
Todos estos procesos descontrolados de contaminación, están teniendo un punto
importante de afectación en nuestra playa, ya que la producción actual del alga del
tipo sargazo que existe, ha estado aumentando en los últimos años, y que está
siendo alarmante para la población que ahí radica.
La principal afectación que tiene la playa en toda su extensión territorial por la
acumulación de este tipo de alga, es la mala imagen que presenta en los periodos
de Febrero-Abril y Agosto-Noviembre, que son las fechas de mayor aparición de
este ficus. (Figura 1)
3
Figura 1. Contaminación Visual de la Playa de Miramar por algas de sargazo
Los palaperos que trabajan en la playa son las personas que muchas veces se
encargan de retirar las toneladas de este material considerado como basura, ya
que están consientes que son la principal causa de la erosión del suelo salino y el
desplazamiento y la muerte de algunas especies marinas. (Figura 2)
Figura 2. Desplazamiento de especias marinas
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Figura 1. Contaminación Visual de la Playa de Miramar por algas de sargazo
Los palaperos que trabajan en la playa son las personas que muchas veces se
encargan de retirar las toneladas de este material considerado como basura, ya
que están consientes que son la principal causa de la erosión del suelo salino y el
desplazamiento y la muerte de algunas especies marinas. (Figura 2)
Figura 2. Desplazamiento de especias marinas
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Figura 1. Contaminación Visual de la Playa de Miramar por algas de sargazo
Los palaperos que trabajan en la playa son las personas que muchas veces se
encargan de retirar las toneladas de este material considerado como basura, ya
que están consientes que son la principal causa de la erosión del suelo salino y el
desplazamiento y la muerte de algunas especies marinas. (Figura 2)
Figura 2. Desplazamiento de especias marinas
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ANTECEDENTES DEL USO DE ALGAS
Existen más de 100.000 cepas de algas, con diferentes tipos de moléculas:
aceites, carbohidratos y proteínas. Algas con altas concentraciones de
carbohidratos pueden producir almidones, los cuales pueden ser separados y
fermentados para obtener etanol. Algas con altas concentraciones de aceites
pueden ser procesados para producir biodiesel. El contenido de aceites en
algunas algas puede ser hasta 40%. Después del proceso para la obtención de
biodiesel, las proteínas remanentes pueden ser usadas para alimento de
animales. Por otra parte las algas pueden ser usadas como substratos en plantas
de biogás. [2]
Pawlak (2008), Desarrolló un método para evaluar la economía y la eficiencia
energética de aplicación ordinaria de diferentes fuentes de energía, con especial
hincapié en la biomasa. Este método y el modelo apropiado utilizados durante la
ejecución del proyecto interdisciplinario "modelar el uso de biomasa para fines
energéticos”. [3]
El uso de la biomasa como fuente de energía renovable es fomentar la protección
del medio ambiente, análisis económico deben tener en cuenta los costes de
naturaleza orgánica.
La prueba para llevarse a cabo en el marco de este proyecto proporcionará datos
para habilitar racional desde un económico y ambiental punto de vista, la elección
del tipo de tecnología de producción de cultivos energéticos. La selección debe
tener en cuenta las condiciones locales, tener efectos sobre el rendimiento y la
calidad del producto.
Steward Pauline (2008), propone claramente que la más eficiente alternativa para
evitar el uso de los combustibles fósiles radica en bio combustibles, porque crecen
naturalmente y por lo tanto tienen un suministro ilimitado, prácticamente cero
emisiones y puede utilizarse en motores diesel existentes. [4]
5
El problema con la mayoría de los biocombustibles, Sin embargo, es en la gran
cantidad de superficie que necesitan para producir una cantidad adecuada de
cultivos y la baja relación entre el rendimiento y área requerida.
Las algas son diferentes, sin embargo, porque son fáciles de cultivar, requieren
mucho menos tierra y tienen tasas de producción muy elevados. Por esta razón es
muy importante comprender lo más posible sobre el cultivo de algas como fuente
de energía.
Los procesos biológicos han sido utilizados desde hace mucho tiempo. Estos se
pueden dividir, de acuerdo con el aceptor final de electrones involucrado en la vía
metabólica de los microorganismos, en dos procesos: procesos aerobios, en los
cuales el oxígeno es el principal aceptor de electrones y los anaerobios, que
funcionan en ausencia de oxígeno.
Entre las principales ventajas de emplear procesos anaerobios en el tratamiento
biológico, están los bajos costos de operación, bajo consumo de energía, la
capacidad de degradar altas cargas orgánicas, resistencia de la biomasa a
permanecer mucho tiempo en ausencia de sustrato, sin perder su actividad
metabólica, además de bajos requerimientos nutricionales.
Gujer y Zehnder (1983) propusieron seis etapas bajo las cuales se lleva a cabo la
degradación anaerobia: [5]
1.- Hidrólisis de proteínas y carbohidratos.
2.- Fermentación de azúcares y aminoácidos.
3.- Oxidación anaerobia de los ácidos grasos de cadena larga y alcoholes.
4.-Oxidación anaerobia de intermediarios como ácidos grasos volátiles,
5.- Conversión de acetato a metano.
6.- Conversión de hidrogeno a metano.
6
Durante el tratamiento clásico de aguas residuales por vía anaerobia, la materia
orgánica, utilizada como sustrato por los microorganismos, es transformada,
principalmente, en una mezcla de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), a la
que se le conoce como biogás.
Un grupo de ingenieros e investigadores de la Universidad de Tel Aviv en Israel
han profundizado en el estudio de las macro algas marinas y ha concluido que
pueden transformarse en una alternativa muy interesante para la producción de
bioetanol, sin utilizar tierras con potencialidad para el desarrollo de cultivos
alimenticios.[6]
Además del aprovechamiento energético, los investigadores creen que la
producción de biocombustibles a partir de algas marinas podría resolver los
problemas ecológicos que ya existen en el medio marino, considerando que las
algas pueden eliminar la contaminación provocada en el fondo del mar debido a
desechos humanos o a la acuicultura.
En consecuencia, mientras las superficies cultivadas en tierra para la producción
de biocombustibles tienen el potencial de causar daños en el medio ambiente de
acuerdo a distintos ecologistas y especialistas en el tema, además de generar
presiones en el mercado que pueden desembocar en el aumento del precio de los
alimentos y en la limitación de las áreas cultivables con fines alimenticios, las
algas marinas solamente presentan ventajas en este aspecto.
Los investigadores están trabajando ahora para aumentar el contenido de
carbohidratos y el azúcar de las algas, para propiciar la fermentación eficiente en
bioetanol. Al mismo tiempo, creen que las macro algas marinas serán una
importante fuente de biocombustibles en el futuro.
Aprovechando los desechos que perturban el medio ambiente marino y a través
del empleo de múltiples especies de algas, los especialistas sostienen que es
posible convertir los residuos en recursos productivos, como por ejemplo los
biocombustibles, y al mismo tiempo reducir el impacto de la contaminación en el
ecosistema marino.
7
Fernández Degiorgi C. (2009), establece el uso del biogás como recurso
energético, en su artículo propone que el biogás se puede emplear como un
combustible alternativo promisorio debido a su alta disponibilidad. Menciona que
las dos fuentes más comunes de biogás son: los digestores y los rellenos
sanitarios. [7]
Las baterías producen biogás durante la fermentación anaerobia de los
compuestos orgánicos. En su estudio se presentan los diferentes campos de
aplicación según la fuente de producción de biogás.
Ávila Soler E., (2009) presenta un estudio sobre la posibilidad de emplear el
biogás en la oferta de energías sustentables, mostrando ventajas importantes en
comparación con otras fuentes de energía. [8]
En su estudio menciona que México se proyecta como un país con déficit en la
producción de gas, por lo que una de las alternativas viables es la inversión en
biogás, empleando la materia orgánica de los rellenos sanitarios, que actualmente
se desaprovechan. Además comprobó que el biogás es una opción real con
notables propiedades caloríficas de gran rentabilidad, y con la ventaja de que a la
vez de aprovechar el insumo básico generado a partir de la materia orgánica, en
los residuos sólidos urbanos, se contribuye a depurar los depósitos sanitarios
altamente contaminantes, del suelo, del aire y del agua.
Lastra F. y col (2009), elaboraron el estudio a escala laboratorio de la degradación
biológica de algas de agua dulce, para determinar si éstas pueden producir
biogás, utilizaron como reactores botellas PET de 2,25 litros, sumergidas en un
baño de agua caliente. Las experiencias incluyeron cuatro etapas. Primero la
preparación del ensayo, a las algas se le efectuaron análisis físicos y químicos
para determinar antes de la degradación los porcentajes de fósforo, nitrógeno,
potasio, fibra bruta, DBO, DQO y el PH, luego en las pequeños reactores se
colocaron las algas debidamente molidas y húmedas, se les extrajo la totalidad del
aire, se cerraron herméticamente y se colocaron en un baño termostático para
mantener la temperatura entre los 25 y 45ºC. [9]
8
Después se realizó el seguimiento diario de las muestras para ver su evolución en
el tiempo, la experiencia duró 150 días. Además pudieron comprobar la
generación de biogás a partir de la incineración del mismo y finalmente se le
realizaron los mismos análisis físicos y químicos a las algas digeridas para
determinar los porcentajes remanentes luego de la digestión. Como conclusión se
verificó la posibilidad de generar biogás a escala laboratorio a partir de algas de
agua dulce en condiciones físicas y químicas controladas.
Díaz Rebollido Pedro M. (2010), desarrollo un trabajo de investigación cuyo
objetivo fue obtener gas combustible mediante la bioconversión del alga marina
Ulva lactuca. Para esto, determinó la composición físico – química de las algas y
diseñó un sistema de digestión para obtener biogás a nivel de laboratorio. Logró
obtener 0.017 m3/kg de biogás, con 65.3% aproximadamente de metano,
alcanzando una presión suficiente para ser quemado en mecheros tipo Bunsen
usados en laboratorios. El uso del alga como sustrato demostró ventajas que
hacen factible su uso para estos fines, ya que no contiene lignina en cantidades
que obstruya el proceso de bioconversión, no es necesario hacer pre tratamiento
ahorrando reguladores de pH y la adición de nutrientes. Además, el uso de algas
para la producción de biogás puede ser una solución a la deposición de esta
biomasa en las orillas de las playas. [10]
HIPOTESIS
Las características físicas, nutricionales y bromatológicas existentes en el tipo de
alga que mayormente predomina en la costa de la Playa de Miramar, de las 86
que se han reportado presentes, permite su aprovechamiento como fuente rica
para la producción de metano por fermentación anaeróbica.
9
JUSTIFICACION
Nuestro país, es un país en vías de desarrollo, en el cual se cuenta con un
potencial en proyectos de transformación de biomasa de acuerdo a sus tipos de
industrias. Además como muchos países, dependen en gran medida de la
creciente demanda del gas natural, esto genera un problema mundial y
principalmente nacional pues a pesar de que México es un país petrolero, no es
capaz de satisfacer la demanda energética total.
Actualmente, el uso del biogás, proveniente de la basura, no deja de ser una
tecnología viable para poder abastecer la actual demanda energética, y que
probada en otros países, ha tenido repercusiones favorables, no solo energéticas,
sino también ambientales.
En la localidad, pocos proyectos del uso y generación del biogás han tenido alto
impacto. Uno de ellos fue el del aprovechamiento de las excretas de cerdo del
rastro municipal de Tampico en el periodo 2002-2004, y que causo una
disminución en el uso del gas licuado de petróleo que utilizaban para quemar las
pieles, y que obtuvo el premio nacional de ahorro de energía y energías
renovables en la categoría de “desarrollo de proyectos” por la secretaria de
energía.
Lo anterior, crea las bases para que los nuevos proyectos sobre energías
renovables puedan tener repercusión, apoyo y difusión en la localidad. A su vez, el
uso del gas en la localidad, está limitado al aprovechamiento como fuente de
iluminación, calor y energía en la cocción de alimentos. Existen regiones del país
que carecen de este servicio por los altos costos sumado al carente salario que
perciben. Algunas de estas comunidades son las que se encuentran cercanas a
las costas de las playas de toda la extensión territorial del litoral del golfo de
México. En estas costas, la contaminación visual y acumulativa por algas del tipo
Sargassum está en aumento.
10
Este tipo de algas, consideradas como un desecho, son fuente muy rica de
materia orgánica. Como residuo orgánico, no es posible considerarla como
alimento, por el proceso de fermentación acelerado que presentan, y por la
cantidad de gas presente en sus vesículas, pero debido a su concentración
elevada de carbohidratos, es útil como suplemento alimenticio del ganado de la
localidad.
Desde el punto de vista positivo, al aprovechar el potencial del alga de
Sargassum, se cumplen dos objetivos importantes a nivel local, el primero, el de
abastecer de un gas rico en metano y de mucho poder calorífico y el segundo, el
de disminuir la contaminación tanto visual, evitar el daño que originan las
medusas y erosión del suelo.
CONTENIDO INOVADOR
Debido a la escasez de hidrocarburos, los precios elevados en el ámbito mundial,
la contaminación al medio ambiente, la necesidad de ahorro de combustibles, se
propone que algunos tipos de vegetación marina como las algas se sargazo, se
pueden aprovechar como materia prima en la producción de biogás como una
nueva fuente energética alternativa, ya que la cantidad que se deposita en las
costas de la playa rebasa fácilmente los 20 kg por metro cuadrado.
La playa de Miramar por las noches no cuenta con un sistema de abastecimiento
de alumbrado público, por lo que difícilmente los bañantes la visitan de noche, es
por ello que se pretende como propuesta al proyecto de investigación de la tesis,
instalar sistemas de alumbrado con lámparas de biogás producido por las algas
marinas, como medio de aprovechamiento energético.
11
La propuesta del proyecto es que en la parte de abajo de cada palapa exista un
pequeño tanque de PVC, conectado por un sistema simple de tuberías a un
quemador de biogás y esta a su vez a una lámpara de biogás, entonces las
personas que se encargan de cobrar la renta de estas palapas, podrán alimentar
frecuentemente estos tanques para asegurarse que en determinados espacios de
tiempo se pueda contar con el combustible necesario para tener la iluminación de
noche. En la evaluación de la eficiencia del quemador de biogás que se instalará,
el parámetro más importante y más estudiado es su eficiencia energética; además
de otros factores como la emisión de sustancias nocivas para la salud y de gases
de efecto invernadero. (Figura 3)
Figura 3. Esquema del prototipo del digestor en la playa
Un parámetro de diseño que se debe considerar es la Temperatura de llama, ya
que el calor liberado por la reacción entre combustible y O2, calienta los productos
de reacción, y por radiación y convección el calor se transfiere a los alrededores,
la temperatura resultante en la zona de reacción es llamada temperatura de llama
(adiabática cuando no haya transferencia de calor a los alrededores).
12
La temperatura de llama máxima se consigue con relaciones estequiométricas y
en la zona de reacción primaria (donde ocurre la reacción del biogás con el aire
primario). La temperatura de llama adiabática para el biogás es entre 1700°-1900°
C, mientras la temperatura que se alcanza en el uso real oscila entre 600°-800° C.
Es posible utilizar el valor de la temperatura de llama para evaluar el %CH4 del
biogás.
La Velocidad de llama, es la velocidad, relativa a la mezcla incombusta, a la cual
una llama avanza en la mezcla de gases. La velocidad de llama es fuertemente
dependiente de la relación combustible/aire, pasando de cerca de cero al limite de
mezcla pobre, a través de un valor máximo y otra vez cerca de cero para el limite
de mezcla rica.
El quemador de biogás que se pretende instalar y diseñara sigue el mecanismo
del mechero Bunsen. El gas llega con una cierta velocidad y presión al quemador,
dependiendo de la presión existente en el digestor, o en la bolsa de acumulación,
y el diámetro y el largo de la tubería. A la entrada del quemador el gas pasa a
través de un inyector que transforma parte de su presión en mayor energía
cinética.
Se forma un chorro de gas que va inspirando aire, por arrastre y por efecto
Venturi, a través de unas aberturas en la tubería. Este aire se llama aire primario y
debe ser completamente mezclado con el biogás. Por esta razón el conducto debe
ser lo suficientemente largo (10 veces su diámetro).
La mezcla mejora si el conducto es de tipo divergente. Al final del conducto la
mezcla entra en la cabeza del quemador, al interior de la cual la presión se
uniforma antes que la mezcla salga a través de los orificios a una velocidad similar
a la velocidad de llama del biogás. Sobre la cabeza la mezcla de gas-aire primario
se combina con el aire secundario completando la combustión de los gases.
13
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Determinar el potencial para la producción de biogás a través de un proceso de
fermentación anaeróbica empleando la bioconversión de macro algas Sargassum.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1. Estudiar la importancia de las algas del tipo Sargazo como fuente limpia de
energía.
2. Analizar los nutrientes claves en el sustrato para la producción de biogás.
3. Verificar que los porcentajes de inhibidores no retribuyan a una escasa
producción del gas.
4. Comparar con la biomasa convencional para determinar su grado de
relevancia.
5. Producir biogás.
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CAPITULO 1. FUNDAMENTO TEORICO
1.1 TIPOS DE ALGAS EN TAMAULIPAS
El estado de Tamaulipas, que se ubica en 24°17′14″N y 98°33′48″O, se extiende
alrededor de 79,389 km2 al sur de la república mexicana, es una gran fuente de
estudio para algunos biólogos y ficólogos por la gran diversidad y variabilidad de
algas que existen en sus litorales, y que como tal no son explotadas ni para
consumo humano, rumial, ni mucho menos valorando su poder energético.
Hum y Hildebrand (1962), analizaron un total de 140 algas en toda la costa de
litoral mexicano en los estados de Veracruz y Tamaulipas, en Tamaulipas
delimitaron su análisis en las playas de punta de piedras y boca de Jesús María en
San Fernando. [11]
Garza y col. (1984), efectuaron un manual de estudio sobre las 86 especies de
algas bentónicas que se encontraron en las escolleras de Cd. Madero, siendo las
de mayor relevancia las RHODOPHYTAS. [12]
Martinez y col. (2000), elaboraron un análisis sobre diferentes tipos de algas en las
playas de Ciudad Altamira y Madero, encontraron un total de 87 géneros y 147
especies, dentro de las cuales se encuentran las RHODOPHYTAS,
PHAEOPHYTAS y CLOROPHYTAS. [13]
1.2 APLICACIONES CONVENCIONALES DE LAS ALGAS
Las algas marinas forman una gran diversidad de grupos (por lo menos 8
divisiones taxonómicas), que están relacionadas directa o indirectamente con el
resto de seres que habitan el ambiente marino, son el equivalente de las plantas
terrestres en el mar , y son un recurso económico importante para muchos países
que sostienen a partir de las algas una parte no despreciable de la industria
alimenticia, de cosméticos y farmacéutica. [14]
15
Cada día que transcurre en nuestro planeta, se establecen cadenas alimentarias
básicas, dentro de las cuales las algas forman una parte importante en los
sistemas marinos que las necesitan, sin embargo en países como China, Corea y
Japón forman parte de la alimentación básica de las casi 4 millones de toneladas
anuales que se obtienen. La importancia y el empleo directo de ellas están en
función de las sustancias que logran extraerse. [15]
De los 4 millones de toneladas de algas de valor económico producidas, 2,6
millones (66,5%) son algas pardas, 1,25 millones (33%) son algas rojas y 1 500
(0,4%) son algas verdes (Critchley, 1995). En las algas pardas, el ácido algínico es
su principal constituyente, este compuesto se encuentra en la lámina media de la
pared celular. Los productos algínicos tienen un uso como estabilizadores,
emulsificantes y materiales moldeables en la industria farmacéutica, en
cosméticos, jabones, en tecnología alimenticia y dental. [16]
Las algas verdes también destacan por su aprovechamiento económico, ya que el
género Ulva ha sido actualmente un punto a destacar por la cosecha que se ha
efectuado en algunos países de Centroamérica.
En especial, las algas pardas han tenido aplicaciones importantes siendo
aprovechadas como forrajes, preparadas y mezcladas como suplementos en las
dietas regulares de algunos vacunos. Las harinas de las algas, además
constituyen una fuente importante de vitaminas, minerales y además que ayudan
en el traslado de algunas proteínas en el flujo sanguíneo de los animales. [17]
Es de destacar que además de ser utilizadas como forrajes, las algas pardas
tienen usos como fertilizantes desde los tiempos más lejanos, se sabe que el alto
contenido de minerales, proporciona una riqueza en el suelo capaz de brindar los
nutrientes necesarios en el suelo agrícola. Blunden y Woods (1969), sugieren que
los carbohidratos contenidos en las algas, son la fuente de almacenamiento de
energía en el desarrollo de la planta cuando se fertiliza con ellas. [18]
16
Algunos estudios han demostrado que ciertos tipos de algas contienen la misma
cantidad de nitrógeno que el estiércol y la misma cantidad de fosforo y potasio.
(Alder 1984). Los principales beneficios que aportan los nutrientes contenidos en
la algas (incluyendo fosforo, nitrógeno, calcio fierro, cobre y zinc), carbohidratos y
materia orgánica, proporcionan a las plantas, un incremento de vida, mayor
resistencia a factores ambientales como sequias y heladas, resistencia a algunos
tipos de plagas, hongos y bacterias. [19]
Algunos fertilizantes utilizados en el extranjero, contienen un líquido a base de
algas de Sargassum, debido a que tiene más sales de potasio y de fosforo, siendo
importantes en cultivos de betabel y papa.
No se ha sabido con certeza la efectividad de algunos tipos de algas en el cuerpo
humano, se sabe que entre ciertas propiedades que se atribuyen a ellas se tienen
tratamientos contra la tuberculosis, la artritis, la gripa, influenza, parásitos, etc. En
China se ha utilizado el alga de Sargazo para tratar el cáncer. [20,21]
Algunos otros tipos de algas empleados en tratamientos médicos, son la
Acetabularia, como tratamiento de cálculos biliales, la Codium y Rozoclonium
como antihelmíntico, la Cymopolia como antibiótico, la Pleurococcus, como
tratamiento en enfermedades de la piel. [22]
1.3 MORFOLOGIA Y TAXONOMIA DE LAS ALGAS DE SARGAZO
Las algas del tipo Sargazo, del genero Sargassum, pertenece al reino Chromista,
de clase Phaeophyceae se encuentra dentro de la división de las
Heterokontophyta, del orden Fucales, su familia es la Sargasasseae, se
caracteriza por que cada nivel de ramificación con sus respectivos filoides se
origina del eje principal, así como los receptáculos en ramas auxiliares. [23]
17
Este tipo de alga, desde su origen ha sido dividida en varios subgéneros y tribus
con base en sus características morfológicas y anatómicas, siendo estos:
Phyllotrichia, Sargassum y Batrophycus, con sus respectivas secciones
(Acanthocarpicae, Malacocarpicae, Phyllocystae, Zygocarpicae, Halochloa-
Repentia, Teretia y Spongocarpus)
Se han logrado contabilizar hasta 400 especies de Sargassum en todo el mundo.
Algunas regiones han tenido ciertos problemas con la clasificación taxonómica de
este tipo de algas ya que uno de los géneros presenta una gran variabilidad
morfológica por la plasticidad fenotípica. A pesar de esto, lo que sí ha podido
esclarecer un poco la taxonomía de este ficus es en el hecho de que algunas de
las características empleadas tienen una amplia variación, principalmente en las
merísticas. [24]
La problemática en la taxonomía de las algas de sargazo, surge en la descripción
de las especies, ya que no son considerados “talos” completos, por lo que no se
encuentran todas las características (anatómicas, morfológicas y reproductivas).
Debido a la diferencia entre la biodiversidad, el clima y diversos factores que
afectan el desarrollo del alga Sargazo, es un poco delicado comparar el tipo de
clasificación taxonómica de nuestro continente con el asiático, ya que algunos
autores inclusive extienden su clasificación a mas tipos, siendo que otros se
contradicen e inclusive reducen el número de estas, ya que muchas son similares.
En el oriente, se propone una clasificación especial para los niveles de orden y
clase, que no todos los autores de otras regiones manejan, han llevado la
vanguardia en la taxonomía considerando principalmente la validación de la
variabilidad morfológica como apoyo para resolver los problemas taxonómicos. [25]
18
1.4 FACTORES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO Y REPRODUCCIÓN DE
LAS ALGAS
Los sistemas acuáticos tienen importantes factores que determinan su
funcionamiento, estos son: las cantidades de materiales disueltos presentes en al
agua (los solutos), la profundidad de la columna de agua, la disponibilidad y la
calidad de la luz, la naturaleza del sustrato, patrones de circulación de las masas
de agua y su temperatura, los parámetros conservativos como salinidad,
temperatura, nutrientes, pH, turbidez y oxígeno disuelto que permiten caracterizar
el cuerpo de agua. [26]
Desde el punto de vista ecológico las algas constituyen la base de la producción
primaria de la zona nerítica, sirven de refugio y alimento a una fauna muy diversa,
contribuyen a la formación de arrecifes y evitan la erosión de la zona somera
previniendo la remoción del sustrato.
1.4.1 FACTORES ABIOTICOS
Las fluctuaciones de los factores abióticos afectan significativamente la dinámica
de las poblaciones de Sargassum en términos de sus ciclos de crecimiento,
maduración y senescencia. Tanto en áreas tropicales como templadas, la
temperatura del agua, las mareas, la temperatura del aire y los factores
fisicoquímicos, han sido relacionados como factores que juegan un papel crítico en
la estructura de las poblaciones de Sargassum y sus patrones fenológicos.
Uno de los efectos principales del crecimiento de la especie Sargazo, es la
concentración de sales presentes en el agua, ya que a su vez, tiene relación con
el aumento de la temperatura, y se conoce como elevación del punto de ebullición
del agua, que es el aumento proporcional que presenta la evaporación del vapor
saturado por el efecto de la acumulación de sales en el agua. [27]
19
Las variaciones en salinidad que se encuentran en el océano son consecuencia
del origen de las masas de agua y su proximidad a desembocadura de cursos de
aguas continentales.
El proceso de fotosíntesis de las algas, logra su máxima eficiencia a una
determinada concentración de sales, al igual que la respiración y el desarrollo.
Alguna variación por mínima que sea y de llegar hasta su punto extremo puede
causar pérdidas importantes en el funcionamiento y desarrollo de algunos
procesos vitales de estas especies marinas y en la mayoría de los casos su
muerte.
Otro de los factores físicos determinantes de la distribución geográfica de las
plantas marinas es la temperatura. Las algas de sargazo, tienen la capacidad de
tolerar un determinado intervalo de temperaturas, ya que no depende tanto de los
valores de esta, sino del tiempo de exposición al aire, el estado fisiológico del
agua y las características físicas del lugar. [28]
La temperatura controla el índice del metabolismo de la planta que alternadamente
determina la cantidad de fotosíntesis que puede ocurrir. La mayoría de la actividad
metabólica biológica en el océano ocurre entre 0 y 27 ºC. Hay poca actividad
sobre o debajo de este rango. Las temperaturas óptimas para la productividad
coinciden con 15 a 20 ºC para la fotosíntesis.
En las especies de macroalgas, las condiciones de temperatura están
relacionadas con las etapas de su ciclo reproductivo, por lo recular las fases no
suelen presentarse en la misma estación de año en todos tipos de algas.
La radiación del sol que penetra en el océano, cambia su cantidad y también su
calidad dependiendo de las temporadas del año, esto se relaciona directamente
con la temperatura en el manto acuífero. Esta intensidad de la luz, se relaciona
directamente con la distribución de las algas. [29]
20
La luz es importante para la fotosíntesis y repercute directamente en el
crecimiento, junto con otros factores como la temperatura, la disponibilidad de
carbono inorgánico, el ritmo circadiano y la edad del vegetal. [30]
El agua absorbe la radiación roja e infrarroja en los primeros metros, por lo que
muchas algas deben estar adaptadas a capturar esa luz, como complemento de la
luz capturada con menores longitudes de onda. En las algas hay 3 clases de
pigmentos encargados de capturar la luz para la fotosíntesis: clorofilas,
ficobiliproteínas y carotenoides.
El crecimiento, reproducción y distribución de las macroalgas, está influenciado
por los cambios en la intensidad luminiosa y la temperatura del periodo del año. La
mayoría de las algas tienen un límite de tolerancia a la intensidad de la luz,
muchas veces se decoloran cuando hay una elevada intensidad y dejan de crecer
cuando es baja. A pesar que la luz y la temperatura se tornan favorables, el
crecimiento del alga se detiene durante los meses de enero y febrero. Esto se
debe a que los niveles de nutrientes en el agua han disminuido y no logran
sustentar la productividad del alga. [31]
A diferencia del fitoplancton, las macroalgas permanecen gran parte de su ciclo de
vida adheridas al mismo lugar físico, por lo cual los mecanismos de respuesta ante
situaciones ambientales estresantes son cruciales para la supervivencia. Al
contribuir como lugar de hábitat, refugio y alimento para diversas especies de
invertebrados y peces, su respuesta influye en otras especies asociadas.
El movimiento del agua tiene un efecto en el metabolismo de las algas. La
vegetación marina alcanza sus mayores tallas durante períodos de calma y en los
períodos de tormenta, puede quedar podada o destruida. Este efecto varía entre
las especies, posiblemente debido a las particularidades del ciclo de vida.
21
Otro de los factores que se relacionan con el crecimiento y la reproducción de las
algas, son la concentración de nutrientes, ya que estos presentan diferentes
denominaciones de acuerdo a su concentración. Se consideran como
macronutrientes a todos aquellos nutrientes cuya concentración en el agua de mar
sea mayor a 0.02 mmol/kg y como micronutrientes a todos aquellos con
concentraciones promedio de 5 x 10-7 mmol/kg, según la Tabla 1. [32]
Tabla 1. Concentraciones de nutrientes en las algas
Elemento
Concentración promedio
del agua de mar
Concentración en materia seca
(mmM/kg) (µg/g) Promedio (µg/g) Rango (µg/g)
Macronutrientes
Hidrogeno
Azufre
Potasio
Calcio
Magnesio
Carbono
Nitrógeno
Fosforo
Boro
105,000
28.5
10.2
10.3
53.2
2.3
0.03
0.002
0.42
10,500
904
399
413
1,293
27.6
0.42
0.071
4.5
49,500
19,400
41,100
14,300
7,300
274,000
23,000
2,800
184
22,000-72,000
4,500-8,200
30,000-82,000
2,000-360,000
1,900-66,000
140,000-
460,000
500-65,000
300-12,000
15-910
Micronutrientes
Zinc
Fierro
Cobre
Manganeso
6 x 10-6
1 x 10-6
4 x 10-6
0.5 x 10-6
0.0004
0.00006
0.0002
0.00003
90
300
15
50
2-680
90-1,500
0.6-80
4-240
Las algas pueden almacenar estos nutrientes en sus células y utilizarlos de
acuerdo a los requerimientos que ellas tengan.
22
A continuación se menciona la importancia de algunos nutrientes en las algas:[33,34]
La mayoría de los nutrientes son transportados activamente al interior de la célula.
El nitrógeno es el componente de proteínas, coenzimas, nucleótidos y clorofila
está implicado en todos los procesos de crecimiento y desarrollo vegetal. El ión
amonio actúa como activador de muchas enzimas. Las algas incorporan el N
principalmente en forma de nitratos que toman del suelo marino.
El fosfato tomado por el alga no necesita ser reducido antes de ser incorporado en
la materia orgánica. Forma parte de los ácidos nucleicos, adenosín-fosfatos y
piridín nucleótidos por lo que participa en todas las reacciones energéticas del
metabolismo, procesos anabólicos y transferencia de las características
hereditarias. Su deficiencia, por tanto provoca severas alteraciones del
metabolismo y desarrollo vegetal.
El azufre participa en la estructura de las proteínas formando parte de los
aminoácidos azufrados, y en cofactores como el coenzima A, la tiamina y la
biotina. El potasio es el único catión monovalente esencial para los vegetales.
Actúa como activador de enzimas como la aldolasa, piruvato kinasa. Se requiere
en grandes cantidades. Participa en el mecanismo regulador de la apertura y
cierre de estomas.
El Calcio forma parte del pectato cálcico situado en la lámina media de la pared
celular contribuyendo a la rigidez de ésta. Puede actuar como agente protector
contra los hidrogeniones, concentraciones salinas elevadas o contra iones
potencialmente tóxicos. Termoestabilizador de las α-amilasas. El Magnesio forma
parte de la molécula de clorofila. Activador enzimático de la Rubisco y de casi
todos los enzimas que actúan sobre sustratos fosforilados.
El Manganeso actúa como transportador de electrones entre el agua y el
fotosistema II.
23
Su deficiencia provoca una desorganización de la membrana del cloroplasto que
se traduce en una inhibición del PS II. Forma parte del complejo de fotólisis del
agua. El Zinc desempeña un importante papel en la ruta que lleva a la formación
de AIA, la principal auxina. Se precisa como activador enzimático de la anhidrasa
carbónica y la triosa fosfato deshidrogenasa. Su deficiencia se manifiesta por
acúmulo de compuestos nitrogenados solubles, como aminoácidos y aminas, lo
que sugiere una inhibición de la síntesis proteica y una activación de la actividad
ribonucleásica.
El Hierro importante para la fotosíntesis porque sin él no podría llevarse a cabo la
biosíntesis de la clorofila. Participa en reacciones redox tanto fotosintéticas como
de respiración.
1.5 SITUACION ENERGETICA ACTUAL
Los dos más grandes problemas que actualmente enfrenta el planeta en el área
energética, son la disminución de las reservas del petróleo, la contaminación
causada por el mal manejo de los combustibles fósiles al quemarlos. Desde la
revolución industrial hasta la fecha se ha observado que los gases emitidos
durante los procesos productivos han estado en aumento, dañando el ecosistema
y a la humanidad. [35,36]
En la actualidad los combustibles fósiles, son el motor principal de la economía
mundial, debido a que son la principal fuente energética que mueve al mundo. Una
de las desventajas que se tenía considerada, es la disminución de las reservas
del petróleo, ya que hasta la fecha no se descubierto nuevos yacimientos de gran
importancia o gran impacto mundial.
Uno de los retos más importantes que enfrentará la sociedad en las próximas
décadas será cubrir la creciente demanda de energía de forma segura y
sustentable.
24
La demanda de energía crecerá potencialmente en los próximos años, para el año
2004 el consumo mundial de energéticos fue de alrededor de 13,000 Mtoe
(millones de toneladas de equivalente de petróleo) y se estima que para el año
2030 el consumo se eleve hasta los 18,000 Mtoe.
1.6 IMPORTANCIA DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
Las repercusiones principales que tiene el aumento en los precios del petróleo
debido a su disminución y la condición de las reservas mundiales, es en el área
del transporte, ya que esta obligando a muchos países a desarrollar programas de
producción de combustibles alternos, llamados biocombustibles tales como; el
bioetanol, butanol, biodiesel, hidrogeno y metano, por provenir de fuentes
biológicas en su mayoría.[37]
Los biocombustibles son extraídos de la biomasa, nombre dado a cualquier
materia orgánica de origen reciente que haya derivado de animales y vegetales
como resultado del proceso de conversión fotosintético. La energía de la biomasa
es generalmente producida de residuos de cultivos agrícolas, actividades
forestales y de la basura industrial, humana o animal.
Los biocombustibles son una específica categoría de la biomasa usualmente
asociada con la industria del transporte. Los combustibles de la biomasa utilizan la
energía química, la cual se fija por fotosíntesis y se almacena dentro de las
plantas. Esta energía química puede ser liberada para crear calor con fines
tradicionales, tales como como cocinar y crear calor en un espacio, con fines
industriales, como en la industria del papel, o puede ser convertida a electricidad o
en forma de combustible, líquido o gaseoso. Para reemplazar el papel que ha
cumplido el petróleo en la industria del transporte, se requiere una significativa
cantidad de biomasa en combustible líquido; su creación requiere luz solar, agua,
nutrientes y tierra. [38]
25
Algunos de los beneficios considerados en el uso de biocombustibles son los
siguientes:
1. Creación de un impacto positivo en el ambiente al reducir la emisión de gases
de efecto invernadero.
2. Fortalecen la seguridad nacional al sustituir importaciones de combustibles
fósiles como el petróleo.
3. Fomentan el crecimiento económico en regiones agrícolas por la creación de
demanda de cultivos locales.
Los vehículos automotores son la principal fuente de material particulado emitido a
la atmósfera, su contribución se ubica entre el 25% y un 75% del total de las
emisiones de PM10 (partículas gruesas y finas), siendo el principal contribuyente
los automotores que utilizan diesel.
Una respuesta tecnológica a dicha problemática es el uso de biocombustibles, sin
embargo la competitividad en materia de precio de estos frente a los combustibles
corrientes sigue siendo discutible.
Uno de los elementos de restricción de los biocombustibles es el costo de la
materia prima y su proceso de transformación, por lo que se requieren sustratos
de bajo precio para alcanzar los niveles de precio competitivos.
1.7 CARACTERISTICAS E IMPORTANCIA DEL USO DE BIOGAS
El biogás, es un gas producido por ciertos fenómenos naturales sin necesidad de
ser involucrado el ser humano. Una de las principales características para que
este gas se genere es la ausencia de oxígeno. El término “biogás”, se deriva
principalmente porque proviene de la biodegradación de materia orgánica a través
de procesos anaeróbicos, este sistema se lleva a cabo por la interacción de los
microorganismos en el interior de la materia orgánica. [39]
26
Además de estar compuesto en su mayoría por metano (CH4), el biogás también
presenta una parte de dióxido de carbono y otros gases en menores
concentraciones. Este gas posee un poder calorífico suficiente para sustituir a
otros biocombustibles. Dentro de las aplicaciones del biogás, están la generación
de energía eléctrica, calefacción, cocción de alimentos, evaporación del agua,
hornos, estufas, secadores, calderas y otros sistemas de combustión. [40]
La biodegradación de la materia orgánica, además de producir el biogás, si se
lleva a través de fenómenos controlados y medios puede, además, lograr la
bioremediación natural al ambiente de manera acelerada. La biodegradación
produce un residuo orgánico prácticamente inerte, el cual posee características
similares a los fertilizantes de origen químico, sin embargo, el biofertilizante es de
cero costos si se considera como subproducto.
Los proyectos de biogás tienen cabida en el mercado de carbono porque el biogás
se compone principalmente de metano, uno de los gases que se busca reducir con
proyectos de carbono. Esto se debe a su poder de calentamiento global, ya que es
21 veces más potente que el CO2 (es decir, que contamina 21 veces más
comparado con el CO2). [41]
Las características más importantes a considerar en el biogás, para sustituir a los
combustibles convencionales, la primera, es efectuar una modificaciones en los
quemadores convencionales, donde ocurra la combustión de este y la segunda,
que los costos de extracción, almacenamiento y producción son nulos.
Dentro de los instrumentos que pueden emplear el biogás y que son fácilmente
modificables, son las cocinas y calentadores agrandando el paso del gas en los
quemadores. La amplia disponibilidad de este tipo de equipos hace viable su
utilización a gran escala. Las lámparas de gas tienen una muy baja eficiencia y el
ambiente donde se les utilice debe estar adecuadamente ventilado para disipar el
calor que generen.
27
Dependiendo de la materia orgánica de donde provenga, el biogás tiene un poder
calorífico de entre 18,000 kJ/kg a 25, 000kJ/kg, llegando hasta valores cercanos a
los 30,000 kJ/kg. En sistemas de lavado del gas CO2 que lo contiene, se puede
aumentar indudablemente el poder calorífico hasta valores del gas natural. [42]
El biogás, es realmente una mezcla producida por varios gases en proporciones
volumen aproximadas del 50-55 % de metano, del 35-30 % de dióxido de carbono,
aproximadamente del 10 al 5 % de hidrogeno, porcentajes menores al 5 % de
oxígeno, mercaptanos y ácido sulfhídrico.
En la tabla 2, se muestran algunas equivalencias del biogás hacia otros
energéticos, por m3, ya que se sabe que cada metro cubico de gas
combustionado proporciona casi 1,25 kW/h de electricidad, equivalente a 6 horas
de un foco de 60 watts. [43]
Tabla 2. Comparación del biogás con otros energéticos
Tipo de Combustible L / m3 generado
Alcohol
Gasolina
Gas Natural
Gas-oil
Diesel
Gas LP
1.1
0.8
0.76 m3
0.65
0.55
0.88
La producción de biogás, hasta el momento se ha realizado empleando como
materia prima residuos tales como excretas de animales como vacas, pollos,
conejos, algunos frutos ricos en carbohidratos, maíz, semillas, pero la importancia
de las algas en este rubro es muy escasa.
28
Dentro de las variables a considerar para la generación de biogás, son: La
temperatura del ambiente, la temperatura interna del biodigestor, la altura del
lugar, el material alimentado, la relación solido/liquido, la acidez, la toxicidad y la
agitación. De todas estas, solo dos de ellas dependen de la variabilidad al
momento de efectuar la fermentación son solo la temperatura interna del
biodigestor y la relación solido/liquido. [44]
La instalación destinada a la producción y captación del biogás recibe el nombre
de planta de biogás. Existen múltiples diseños y formas, en función de su tamaño,
materia prima (residual) que se emplea, materiales de construcción con que se
construye, etc. Su variedad es tal que los modelos existentes se adaptan
prácticamente a todas las necesidades y variantes que se deseen, en cuanto a
volumen, materiales empleados y residuales orgánicos que se deben tratar.
Básicamente, puede afirmarse que en todos los casos el proceso de producción
de biogás se efectúa en un recipiente denominado digestor, ya que en él ocurre el
proceso de fermentación, similar a la digestión producida en nuestro aparato
digestivo al ingerir los alimentos, que son descompuestos por la acción de las
enzimas, mientras que la captación del biogás se produce mediante una campana
o superficie abovedada o cilíndrica (en la mayoría de los casos), desde la cual se
extrae el gas a través de una conducción por tubería o manguera.
Tradicionalmente, las plantas de biogás sencillas pueden ser clasificadas, por su
diseño, en tres tipos: de balón, de cúpula fija y de campana flotante.
1.8 MECANISMO DE PRODUCCION DE BIOGAS
El biogás es producido por bacterias que se encargan de descomponer el residual
orgánico, a lo que se le denomina proceso de fermentación anaeróbica, ya que se
produce en ausencia de oxígeno. Materiales no orgánicos, como metales,
celulosas, vidrio, etc., no son digeridos o modificados durante el proceso de
fermentación, de ahí que resulten inapropiados para la obtención de biogás. [46]
29
En la obtención del biogás, el proceso de metanización es el resultado de la
actividad compleja de las bacterias sobre la materia organiza y se divide en: 1.
Hidrolisis, 2. Fermentación, 3. Acetogénesis, 4. Metanogénesis.
Primeramente en la hidrolisis se pretende que la mayor parte de la materia
orgánica se transforme en aminoácidos y azucares, además de ácidos grasos. En
el proceso de fermentación es necesario que los productos anteriores se
fermenten y bajo condiciones de operación ideales pasen a acetatos y dióxido de
carbono además de subproductos como propionatos y butiratos.
El proceso de fermentación continuo proporcionara ácidos grasos e hidrogeno
como productos principales de la acetogénesis. Finalmente seguidas las
condiciones óptimas de la acetogénesis, se obtendrá el metano por medio de la
descarboxilación de los acetatos o a la reducción de hidrogeno por dióxido de
carbono. Se estima un tiempo de 20 días dependiendo de la cantidad de sustrato
que se vierta al biodigestor.
1.9 APROVECHAMIENTO ENERGETICO DE LAS ALGAS
Las algas marinas se consideran una excelente fuente de energía para la
producción de biogás. La producción de algas como materia prima para
biocombustible de segunda generación ha sido objeto de investigación en la última
década. [47]
Además, el reciente informe de la Organización de las Organización para la
Agricultura (FAO, 2008) subraya la necesidad de centrarse en los cultivos
energéticos “no alimentarios'' para la producción de biocombustibles y para
desarrollar soluciones rentables que dirijan aún más atención a la importancia de
su generación. [48]
30
Las algas marinas consisten en polisacáridos (agar, alginato, carragenina,
aminarano y manitol), cero lignina y bajo contenido de celulosa, que les resulta ser
un material fácil de convertir en metano mediante el proceso de digestión
anaerobia.
Golueke (1957) llevo a cabo los primeros proyectos sobre la digestión anaeróbica
y fermentación de algas, pero aun así solo unos pocos trabajos han evaluado la
conversión de algas marinas por biodigestión anaeróbica para la producción de
metano. La primeros estudios evaluaron especies de algas como Macrosystis
pyrifera, Tetraselmis, Gracilaria tikvahiae, Hypnea y Ulva; estos estudios, en
general, demuestran como conclusión de que las algas marinas son buenas
materias primas para el proceso, debido a su alta conversión tasas y eficiencias
obtenidas.[49]
La producción de biocombustibles utilizando biomasa de algas es una alterativa
real y está siendo implementada en las zonas marítimas en varios países:
Un proyecto del Instituto de Tecnología en Corea del Sur, plantea invertir en la
creación de 34,800 HA para el cultivo de algas en sus costas a partir del 2020, ya
que existe una patente en trámite sobre la vía para el uso de las macroalgas
marinas en la producción de bioetanol y evitar el uso de terrenos. [50]
Ellos establecen que las macroalgas tienen varias ventajas sobre la biomasa
proveniente de terrenos agrícolas, ya que crecen más rápido, lográndose hasta
seis cosechas por año; a diferencia de los árboles y plantas, no contienen lignina
por lo tanto no requiere de un pre-tratamiento antes de ser convertido en
combustible; y finalmente, las macroalgas absorben hasta siete veces más dióxido
de carbono de la atmósfera que los árboles. La patente del grupo sugiere tratar a
todas las algas (desde el kelp hasta la Spirulina) con una enzima que las divide en
azucares simples, que pueden ser fermentado para obtener etanol.
31
En Escocia, el proyecto BioMara invertirá $8 millones en un centro de
investigación para probar la viabilidad de conversión de distintos tipos de algas
para producir biocombustibles en el Reino Unido. Ellos mencionan que se necesita
mucha investigación y desarrollo para poder explotar el potencial de los
biocombustibles obtenidos a partir de algas, se centrará en el apoyo a la
producción de biocombustibles y su utilización en comunidades rurales poco
accesibles. [51]
El proyecto de CORFO en Chile, planea invertir en un proyecto para general
bioetanol a base de algas, desarrollando una tecnología de cultivo extensivo de
Macrocystis pyrifera y un proceso de fermentación para las distintas variedades de
algas pardas. [52]
La ciudad de Venecia se ha embarcado en uno de los proyectos más ambiciosos y
saludables para el medio ambiente, al tratar de obtener al menos un 50 por ciento
de su energía eléctrica (40 MW) para el año 2011, usando energía renovable. La
ciudad de los puentes planea terminar su dependencia del petróleo usando
energía generada por el uso de algas marinas. Las algas Sargassum Muticum y
Undaria Pinnatifida, son arrastradas por los barcos provenientes del Japón y el
mar de Sargassi. Las mismas crecen en el puerto de Venecia y con el tiempo se
han convertido en un problema para las góndolas y los barcos de transporte. Pero
hoy son un valioso recurso para esta ciudad. [53]
Japón se suma al esfuerzo en la generación de biocombustibles por algas y en el
2001 con apoyo de Mitsubishi, se planea disponer de 10, 000 km2, de suelo
marino para el cultivo de algas marinas, con el fin de convertirlas en materia prima
para biocombustibles. [54]
32
CAPITULO 2. MATERIALES Y METODOS
2.1 RECOLECCIÓN DE LAS MUESTRAS.
El muestreo de las algas del tipo Sargassum Muticum (fucus vesiculosus), se
llevó a cabo en la zona intermareal a lo largo de los 10 km de costa de La Playa
de Miramar, ubicado a lo largo del Golfo de México, en Cd. Madero Tamaulipas.
(22°17'49"N 97°48'13"W). (Figura 4)
Figura 4. Recolección de las muestras de la orilla de la playa
Las colectas se efectuaron de forma manual, principalmente en la parte litoral de
la playa, en los meses comprendidos entre Enero-Septiembre del 2013. Se
seleccionaron las de consistencia sana, se lavaron in situ con agua destilada y un
poco de HCl y se colocaron en bolsas de plástico transportándose en agua de mar
con hielo, para su secado posterior y análisis.
33
Figura 5. Tratamientos de las muestras: izquierda: Lavado y secado, derecha:
calcinado y molienda.
Las plantas se secaron en el laboratorio en la estufa a 50°C durante 8 horas y se
colocaron en recipientes herméticos. La biomasa seca fue molida y tamizada a
200 μm. Finalmente se almacenaron en un desecador hasta sus análisis
posteriores. (Figura 5)
2.2 ANALISIS DE NUTRIENTES EN LAS ALGAS
Los nutrientes son fundamentales para el crecimiento de las algas. Estos
presentan diferentes denominaciones de acuerdo a su concentración. Son
aquellos nutrientes que suministran la mayor parte de la energía metabólica del
organismo los cuales son glucosas, proteínas y lípidos. Las fuentes principales de
nutrientes para el crecimiento de las algas son: el agua del mar y el suelo marino.
Los macronutrientes son aquellos nutrientes que se encuentran en el agua de mar
en concentraciones superiores a 0.02 mmol Kg-1. Los micronutrientes se
encuentran en concentraciones desde 0.5 x 10-6 mmol Kg-1. La captación de
estos iones desde el mar por las células de las algas es dependiente de las
concentraciones de estos iones, del movimiento del agua, de la temperatura, de la
salinidad y también de la disponibilidad de ellos en los tejidos del alga. [55]
34
Las algas pueden almacenar estos nutrientes en sus células y utilizarlos de
acuerdo a los requerimientos que ellas tengan. Sin embargo, en los mares
templados hay fluctuaciones de la disponibilidad de nutrientes y en determinadas
condiciones ellos son limitantes para el crecimiento de las algas debido a su
escasez.
En la digestión anaerobia (DA) el N gaseoso se trasforma en amoníaco (NH3), ydiluido en agua esta a disposición de las plantas como nutriente.Un efluente
líquido es más rico en N y potasio, mientras que otro mas espeso, como el
obtenido de paja y pasto fermentado es relativamente mas rico en fósforo.
Balanceando estas características se puede obtener un buen fertilizante. Unsustrato de baja relación C/N tiene mejores propiedades fertilizantes.
2.2.1 DETERMINACION DEL NITROGENO POR EL METODO KJENDAHL
La determinación del nitrógeno es muy importante ya que es uno de los macro
elementos esenciales de toda planta. La captación de compuestos nitrogenados
puede estar condicionada por su disponibilidad y por factores ambientales del
momento.
Las algas pueden captar el nitrógeno del agua y transportarlo a sus células. La
cinética de ésta absorción posee una fase acelerada y luego llega a un máximo
donde la velocidad de absorción disminuye hasta detenerse, en ese momento se
dice que la célula tiene sus reservas de nitrógeno completas. Por más nitrógeno
que se agregue, la célula no lo absorberá.
El método Kjelhdal propuesto por la AOAC (Official methos for analysis) se basa
en la descomposición de los compuestos de nitrógeno orgánico por ebullición con
ácido sulfúrico es el más comúnmente utilizado para la determinación de proteínas
en algas como lo han hecho Castro et als (1993) y Risso et als (2003) en sus
determinación de nutrientes de otras especies de alga marina, para su posible uso
como alimento para ganado o para consumo humano (Risso 2003). [55,56, 24]
35
La metodología principalmente se basó de 3 pasos principales para la
determinación del nitrógeno total los cuales son:
Digestión de la muestra: Un gramo de muestra se pasa al matraz Kjelhdal en
presencia de 2 g de sulfato de plata como catalizador, 10 g de sulfato de sodio
anhidro para aumentar la temperatura, y 25 ml de ácido sulfúrico junto con unos
núcleos de ebullición. Al iniciar la digestión el ácido sulfúrico pasa a dióxido de
azufre el cual reduce al material nitrogenado a sulfato de amonio, una vez
finalizada la digestión se deja enfriar y se le añaden 450 ml de agua para disolver
completamente la muestra más 3 ó 4 gránulos de zinc, y 50 ml de hidróxido de
sodio 1:1 el cual ayuda a liberar el amoniaco.
Destilación: después de la digestión el matraz se pasa a un sistema de
destilación, en el cual a la salida se le coloca un matraz Erlenmeyer de 500 ml que
contenga 50 ml de ácido bórico y unas gotas del indicador Shiro Tashiro. Esta
misma se realiza hasta que las gotas del destilado no indiquen alcalinidad con
papel tornasol.
Titulación: al finalizar la destilación se titula con ácido clorhídrico 0.1 normal ya
que el destilado obtenido cuenta con una normalidad proporcional a la cantidad de
nitrógeno contenido en la muestra original.
Dentro del proceso el hidrógeno y el carbón de la materia orgánica se oxidan para
formar agua y bióxido de carbono. El ácido sulfúrico se transforma en SO2, el cual
reduce el material nitrogenado a sulfato de amonio.
El amoniaco se libera después de la adición de hidróxido de sodio y se destila
recibiéndose en una disolución al 2% de ácido bórico. Se titula el nitrógeno
amoniacal con una disolución valorada de ácido, cuya normalidad depende de la
cantidad de nitrógeno que contenga la muestra. En este método de Kjeldahl-
Gunning se usa el sulfato de cobre como catalizador y el sulfato de sodio para
aumentar la temperatura de la mezcla y acelerar la digestión. [57]
36
Finalmente el nitrógeno obtenido se calcula mediante la siguiente ecuación 1: [58]
% nitrogeno = V × N × 0.014 × 100mEn donde:
V = Volumen de ácido clorhídrico empleado en la titulación, en ml
N = Normalidad del ácido clorhídrico.
m = Masa de la muestra en g.
0.014 = Miliequivalente del nitrógeno.
2.2.2 ANALISIS DE FOSFORO POR EL METODO COLORIMETRICO
El macronutriente fosforo es un elemento esencial para el crecimiento de las
algas. Afecta a la estructura a nivel celular. Una especie marina con la cantidad
correcta de este elemento va a crecer vigorosamente y madurará más temprano
que las que no lo tienen. El fósforo participa en los procesos metabólicos, tales
como la fotosíntesis, la transferencia de energía, la síntesis y degradación de los
carbohidratos contenido en las algas. El fosforo, un elemento esencial es
componente de enzimas y proteínas, adenosin trifosfato (ATP), ácido
ribonucleico(ARN), ácido desoxirribonucleico(ADN) y fitina. [60]
El ATP transfiere energía a varias reacciones, y el ARN y ADN son componentes
de la información genética.
La concentración de fosforo en las algas por el método colorimétrico se basa en la
oxidación total del fósforo por medio de una mezcla de acido Nítrico y acido
Perclórico y determinación colorimétrica del mismo por el método del
Molibdovanadato de Amonio.
37
En la actualidad los problemas ecológicos provocados por la actividad humana
son uno de los factores que influyen en el cambio climático y calentamiento global.
En contribución se busca tomar medidas que no sean perjudiciales al ambiente y
anticipar las consecuencias que puede provocar el alto contenido de fosforo en
organismos acuáticos, ya que es uno de los factores que determinan la calidad del
agua y el crecimiento del plancton.
Sin embargo, si encuentra en cantidades excesivas el fosfato en los cursos de
agua, las algas y plantas acuáticas crecerán excesivamente obstruyendo el curso
natural del agua y consumirán grandes cantidades de oxígeno.
La concentración atómica de Nitrógeno inorgánico y de Fósforo inorgánico (índice
N: P) en el agua, ha sido usada comúnmente para indicar limitación de nutrientes.
Rangos < 16:1 se han utilizado para indicar que el Nitrógeno es menos abundante
que el Fósforo con respecto a la demanda metabólica del fitoplancton.
El Nitrógeno controla directamente a las macroalgas más que a las cianobacterias
o al fitoplancton. La biomasa no está directamente controlada por el aporte de
Fósforo para ninguno de los grupos de algas, sin embargo, el aporte de Fósforo es
más importante para las cianobacterias y para el fitoplancton.
La metodología en la determinación que se utilizó, fue basada en la Norma Oficial
Mexicana; NMX-Y-100-SCF-2004, para la determinación de fosforo en alimentos y
muestras orgánicas. [62]
Comenzando con las algas secas se pesan y se colocan en unas capsulas de
porcelana para su posterior en la mufla a una temperatura de 500°C. Las algas
permanecerán ahí hasta que estas se vuelvan cenizas, después de un
determinado tiempo se sacaran y se llevaran al desecador para su enfriamiento.
38
Posteriormente las cenizas se pasaran a un vidrio de reloj y se pesaran en una
balanza analítica, la cual se debe tarar, la cantidad a pesar por cada tipo de alga
será de .2 g. dicho peso se pasara a un matraz de balón y agregaremos 25 ml de
HCl 6N. Después este se pasara a la electromantilla para su digestión hasta la
mitad de su volumen aproximadamente. Se dejara enfriar y se filtrara a un matraz
volumétrico de 100 ml y se afora posteriormente se pasara una alícuota de 2 ml a
un matraz de 50 ml y se le agregara 10 ml de molibdovanadato de amonio se
aforara con agua destilada, se agitara y se dejara reposar por 10 minutos.
Se correrá junto con las muestras estándares de 0.4 mg y 0.7 mg de pentoxido de
fosforo y se ajustara a cero el Espectrómetro Hach DR 2010 para así leer la
absorbancia de cada una de las muestras y proceder a los cálculos, según la
ecuación 2:
%P = . ( )Factor de dilución: ( )
2.2.3 ANALISIS DE SODIO Y POTASIO POR FOTOMETRIA DE LLAMA.
El sodio es el elemento más abundante de los elementos alcalinos, hallándose sus
compuestos extensamente distribuidos en la naturaleza; este constituye 26 g Kg-1
de la corteza terrestre ocupando el sexto lugar entre los elementos más
abundantes. Los niveles de sodio en aguas subterráneas varían mucho, pero
normalmente fluctúan entre 6 y 500 mg L-1 dependiendo del área geográfica. Los
niveles más altos pueden estar relacionados con suelos salinos. En las aguas
superficiales, la concentración de sodio puede ser menor que 1 mg L-1 o exceder
de 300 mg L-1 El potasio, sin embargo, en aguas potables rara vez alcanza los 20
mg L-1, pero en salmueras puede contener más de 100 mg L-1. [62]
Cuando se aspira una disolución acuosa de sales inorgánicas en una llama
adecuada de un quemador, los iones presentes emiten una radiación
característica, cuya intensidad de emisión es función lineal de su concentración, lo
que permite su determinación cuantitativa.
39
Se utilizó el Método de Olsen Modificado para la determinación del Sodio y
Potasio por fotometría de llama, utilizando un Fotómetro de flama Modelo 410 C,
midiendo la intensidad de la llama con longitud de onda de 762 mm, para el K y
con una longitud de onda de 586 mm se puede cuantificar el sodio.[60]
La metodología para la obtención de la curva de calibración de Na-K y el análisis
de la muestra fue en el orden siguiente:
1. Preparación de la solución estándar de 1000 ppm de K y Na
Se pesó aproximadamente 1.916 g de KCl y 2.55 g de NaCl de 99 % de pureza y
secado en la estufa a 100º C durante tres. Después se vertió a un matraz aforado
de 1000 mL, y agrego agua hasta su aforo.
2. Preparación de la solución patrón de 100 ppm de K y Na
De la solución anterior de 1000 ppm de K y Na, se tomó 100 mL hacia un matraz
aforado de 1000 ml, y se aforo.
3. Preparación de los estándares de dilución.
Se prepararon patrones de 0 a 100 ppm con rango de 10 ppm, es decir, 0, 10, 20,
etc. Para ello se utilizaron tubos de ensaye grandes y se marcan con números
consecutivos. (Figura 6)
4. Construcción de la gráfica de calibración del equipo.
Se ajustó el fotómetro según su especificación para K y Na, con agua destilada y
el patrón de 100 ppm de cada catión. Después se leyó cada una de las muestras,
según el orden, así como las transmisiones correspondientes y se anotan; con esa
información se confecciona la curva de calibración.
40
5. Análisis de la muestra de alga.
Se pesó 2 gr de muestra de algas secas y calcinadas, se vacío en un matraz y se
agregó un poco de agua para diluirla un poco, se acercó al equipo y se tomó la
lectura. Con las lecturas de cada muestra se buscó en el gráfico las
concentraciones correspondientes y se obtuvieron los ppm de K y Na. (Figura 6)
Se calcularon la concentración de esos elementos en las algas con las siguientes
fórmulas 4 y 5:
K (ppm)= 5 x c
Na (ppm)= 5 x c
Dónde:
c= es la concentración de K o Na obtenidas en el gráfico
Figura 6. Tubos con estándares para la curva de calibración del Na-K
41
Se pueden reportar además los resultados en cmol/kg, utilizando las ppm de cada
elemento, según las ecuaciones 6 y 7:
K (cmol/Kg) = K (ppm) / 391
Na (cmol/Kg)= Na (ppm)/ 230
2.2.4 ANALISIS DE CALCIO POR EL METODO VOLUMETRICO
El nitrógeno, el fósforo y el potasio se consideran los nutrientes más importantes
dentro de un programa de fertilización. El calcio, magnesio y azufre también son
macronutrientes, pero normalmente están presentes en el suelo en cantidades
suficientes para el crecimiento adecuado de las plantas. [63]
El ciclo biogeoquímico del calcio consiste en variaciones de su solubilidad debido
a la formación de compuestos carbonatados más (Ca(CO3H)2) o menos (CaCO3)
como consecuencia de la liberación por microorganismos de ácidos orgánicos que
desplacen el equilibrio entre ambas formas.
El calcio es un macroelemento, es decir es un mineral que se encuentra en
abundante cantidad dentro del cuerpo de los animales, por lo tanto debe de
ingerirse también en una cantidad elevada. El calcio tiene funciones tanto plásticas
(forma parte de los tejidos del cuerpo) como catalíticas (es activador de algunas
enzimas). La mayor cantidad del calcio se encuentra en los huesos y en los
dientes, otra parte se encuentra circulando en la sangre. El calcio y el fósforo
están sumamente relacionados en cuanto al metabolismo, y en cuanto a la
relación o proporción de uno con respecto al otro.
El calcio iónico de la muestra de alimento se combina con el reactivo oxalato de
amonio con el fin de precipitarlo en forma de oxalato de calcio. El citado
compuesto se hace reaccionar con ácido sulfúrico, para obtener ácido oxálico, el
cual es oxidado hasta CO2 y H2 cuando se añade el reactivo permanganato de
potasio (KMnO4).
42
La cantidad de ácido oxálico que se forma es directamente proporcional a la
cantidad de calcio que tiene la muestra, a su vez, a mayor cantidad de calcio
presente, mayor cantidad de permanganato de potasio se emplea para la
oxidación.
La cantidad de calcio en las muestras de algas se realizó por medio del método
Volumétrico mediante una titulación de Permanganato de Potasio (KMnO4) según
la norma oficial mexicana NMX-F-312-1978. [64]
Determinando el porcentaje de calcio, se establecerá la relación existente entre
este nutriente, con la síntesis de proteínas y la transferencia de los carbohidratos,
además la presencia de calcio dentro del sustrato puede ayudar a desintoxicar el
alga, por la presencia de metales pesados.
La metodología para el análisis comenzó carbonizando las algas hasta que
obtuvieron cenizas, después se pesaron 0.5 gr de muestra en un vaso de
precipitado de 100 ml, se agregaron 25 ml de HCL 6N, y se digirió (calentarlo y
dejarlo evaporar) hasta la mitad del volumen aproximadamente. Se dejó enfriar y
se vació a un matraz volumétrico de 100 ml con ayuda de un papel filtro y el
embudo. Se aforo el volumen con agua destilada y se agito. Se tomaron alícuotas
de 20 ml y se vaciaron en vaso de precipitado agregando de 1 a 2 gotas de rojo
metilo.
La titulación se realizó con hidróxido de amonio hasta cambiar color amarillo,
después se agregó HCL 3N hasta que cambio a color rosa, se calentó adicionando
posteriormente 10 ml de solución saturada de oxalato de amonio. Se fueron
añadiendo 5 gotas de HCL 3N hasta un color rosa, y se dejó reposar a
temperatura ambiente 4 horas. (Figura 7)
43
Figura 7. Colores del vire con HCl y con NaOH
Se filtró la solución anterior en un crisol gooch con disco de microfibra, se lavó con
hidróxido de amonio 1:50 en vaso o matraz y el disco de microfibra hasta
permanecer color amarillo, se pasó el disco de microfibra a un matraz de 250 ml
con 125 ml de H2O y 5 ml de H2SO4 concentrado, calentándolo a 80 °C y titular
con KMnO4 al 0.1 N hasta la aparición de color violeta tenue. Los cálculos con la
del porcentaje de calcio se realizaron con la ecuación 7:
Dónde:
cm3 KMnO4 = Es el volumen de KMnO4 0,1 N gastados en la titulación;
N es la normalidad del permanganato de potasio;
0,02 son los miliequivalentes del calcio,
w es el peso de la muestra.
2.2.5 DETERMINACIÓN DE MAGNESIO POR EL METODO GRAVIMETRICO
El magnesio es un nutriente esencial para el desarrollo de las plantas, y constituye
el núcleo de la molécula de clorofila, pigmento de las hojas que se necesita para
realizar la fotosíntesis en presencia de la luz solar. [65]
44
El magnesio, entonces, contenido en la clorofila, fomenta la absorción y transporte
de fósforo. Ayuda en el almacenamiento de los azúcares dentro de la planta,
indispensable en los procesos de formación de carbohidratos, aceites y grasas.
Es el activador más común de enzimas asociadas con el metabolismo energético.
Además, es el activador de más enzimas que cualquier otro elemento nutritivo,
especialmente enzimas respiratorias y otras que actúan sobre sustratos
fosforilados como el ATP, es asimilado en el proceso fisiológico de la absorción
del Dióxido de Carbono. En forrajes de baja concentración, el magnesio, menos
del 0,2 por ciento en base seca, está relacionada con la enfermedad del ganado
conocida como hipomagnesemia.
El magnesio está presente en el agua de mar en concentraciones de 1300 ppm.
Después del sodio, el magnesio es el catión que se encuentra en mayores
proporciones en el océano. Los ríos contienen aproximadamente 4 ppm de
magnesio, las algas marinas contienen 6.000-20.000 ppm, y las ostras alrededor
de 1.200 ppm.
Para la determinación del porcentaje de Magnesio, se utilizó el método
gravimétrico, para ello se efectuaron los siguientes pasos: [66]
Se pesaron 2.5 g de muestra de sustrato algal, y se colocó en un matraz
volumétrico de 250 ml. Agregamos 30 ml de ácido nítrico, más 10 ml de ácido
clorhídrico y llevamos a digestión durante 30 min, para después enfriar y aforar.
Se tomó en un vaso de precipitado una muestra de 1 ml y se agregó hidróxido de
amonio hasta neutralizar y agregamos unas gotas de rojo de metilo. Después se
vertió un poco hidróxido de amonio hasta que la solución adquiera coloración
amarilla y luego un poco de ácido clorhídrico hasta coloración ligeramente rosada.
Se tomaron 10 ml de solución saturada de oxalato de amonio por cada 50 ml de
solución.
45
Se calentó durante unos minutos, enfrió y se ajustó a un pH = 5, agregando más
rojo de metilo. Se filtró a través de papel para atrapar el oxalato de calcio. Se lavó
10 veces con agua destilada caliente. Se evaporo el filtrado hasta 100 ml,
aproximadamente, y se agregaron 5 ml de solución al 10% de ácido cítrico y
suficiente cantidad de hidróxido de amonio, para volver alcalina la solución,
utilizando el indicador azul de bromotimol.
Se agregaron 5 ml de solución al 10% de fosfato diamónico y agitamos mientras
incorporabamos 15 ml de hidróxido de amonio y se dejó en reposo durante 24
horas. Transferimos el precipitado a un crisol para filtración y se lavó con
hidróxido de amonio, para después calcinar lentamente en un crisol a
temperaturas inferiores a 900° C.
Sacamos y enfriamos en un desecador, etiquetándose como como Mg2P2O7.
Disolvimos el residuo en 10 ml de ácido sulfúrico, y se transfirió a un matraz de
250 ml, agregando posteriormente 50 ml de ácido nítrico y 2 ml de ácido
fosfórico.
Calentamos la mezcla hasta cerca de ebullición y se agregó 0.3 g de yódato de
potasio, con agitación. Mantuvimos durante 60 min a una temperatura de 100 °C,
hasta que se observó un color uniforme.
En otro matraz que contenga las mismas cantidades de reactivos tratados en
forma similar, igualar el color agregando solución estandarizada de permanganato
de potasio. Finalmente se calcula el % de Magnesio mediante la ecuación 8:
Dónde:
m1= masa del precipitado (g)
46
m2= masa de la muestra (g)
v= volumen de la muestra (ml)
2.2.6 DETERMINACION DEL POTENCIAL DE HIDROGENO
El pH es una medida cuantitativa de conocer la acidez o la basicidad de
determinada sustancias como medida la concentración de iones hidronio
presentes en ellas y dentro del proceso de generación del biogás establece las
etapas de las reacciones involucradas en la fermentación hasta la obtención de
metano.
El pH se define como el logaritmo negativo de la actividad de iones hidrogeno, es
un parámetro fundamental para el análisis del sustrato aprovechable para la
fermentación anaeróbica e indica características fundamentales del alga.
Unos de los factores que pueden ocasionar variaciones en las mediciones de este
parámetro son:
1. La salinidad del suelo: Esta variación se relaciona con las épocas del año
de sequias o de lluvia. En periodos secos, se acumulan las sales y el pH
disminuye y en periodos de mucha lluvia las algas se lavan completamente
y el pH vuelve a su normalidad.
2. La salinidad del agua: Esta variación realmente no influye demasiado, más
que en los periodos de sequía, la concentración de sales en el agua se
relaciona con los iones presentes, y al menos que exista una descarga
industrial cercana a la toma de muestra, el pH no se verá afectado.
3. La presión parcial del CO2. El CO2, tiende a disminuir el pH del sustrato,
este gas en el aire, representa un problema en la medición de este
parámetro para material orgánico con pH menor que 7.
47
El intervalo manejado en este parámetro va de 0 a 14, siendo de 0 a 6, un material
acido, el valor de 7 representa a un sustrato neutro y valores mayores de 8 un
material básico o alcalino. En general un intervalo entre 6.5 a 7.5, representa un
punto de comienzo ideal para los procesos de fermentación, ya que las etapas
posteriores del proceso de producción de metano, se irán definiendo por los
valores de este potencial. Un pH menor a 5, presentaría inconvenientes por el
grado de toxicidad con aluminio o manganeso, mientras que un pH mayor a 8,
reduciría la disponibilidad de fosforo y todos los micronutrientes.[67]
En la Figura 8, se observa la estrecha relación entre los micro y los
macronutrientes esenciales en el desarrollo y reproducción de las algas, con su
grado de acidez y alcalinidad. El ancho de banda indica la asimilación de ese
nutriente en relación a valor de pH. Los minerales como Hierro, Manganeso,
Cobre y zinc están presentes en sustratos ácidos, mientras que el Fosforo,
Potasio, Calcio, Magnesio, Azufre y Boro, en materiales orgánicos alcalinos.
Figura 8. Influencia del pH sobre la absorción de nutrientes
48
Se empleó el Método Potenciometrico en la determinación del pH del alga de
Sargassum, como lo indica la norma mexicana NMX-F-317-S-1978. Este método
se basa en el potencial de un electrodo sensible al ion hidrogeno, en función de un
electrodo de referencia. [68]
La norma establece como primer punto, que para muestras sólidas, es necesario
colocarlas en una licuadora, añadir de 10 a 20 ml de agua destilada recientemente
hervida por cada 100 g de producto, con objeto de formar una pasta uniforme y
homogénea. (Figura 9)
Se utilizó un potenciómetro Hanna 9025, que después de encenderlo se calibro
con soluciones buffer de pH 4, 7 y 10. El análisis es sencillo y consiste en
sumergir los electrodos en la muestra de manera que cubra perfectamente toda su
superficie, medir directamente el valor del pH reportado, retirar los electrodos de la
muestra y lavarlos con agua destilada.
Figura 9. Homogenización de la muestra de Sargassum
49
2.2.7 DETERMINACION DE AZUFRE Y CARBONO ELEMENTAL
El azufre es un macronutriente que está involucrado en la síntesis de proteínas y
forma parte de los aminoácidos cistina y tiamina. Este nutrimento está activo en la
estructura y el metabolismo de las algas. El azufre está presente en la coenzima A
y la vitamina B, y contribuye al olor y sabor característico de las crucíferas. El
azufre además reduce la incidencia de enfermedades que atacan a las algas.
El contenido varia de 0.15 a 0.50 % de la materia seca. La relación N:S, puede ser
importante y varía dependiendo de la especie y la etapa del crecimiento de las
algas. Algunos tipos de algas pueden contener de 11 a 90 kg S/HA, mientras que
frutas ricas en carbohidratos como la remolacha, absorben de 17 a 45 kg S/HA.
Las condiciones de sequía pueden afectar directamente la absorcion de azufre,
ademas que es sinergico con el nitrogeno, ya que hay una relacion N:S de 10:1,
algunas algas de color pardo, se confunden con las caracteristicas de la
deficiendia de dicho nutriente. [60]
Por otra parte, el carbono elemental indica la capacidad relativa del sustrato para
retener nutrimentos contra perdidas por lixiviacion, la estabilidad de su estructura y
la suceptibilidad a la erosion, el movimiento del agua y aireacion, la capacidad
amortiguadora del alga para resistir a variaciones de pH, salinidad y las
condiciones de crecimiento. Un aumento en los contenidos de carbono organico
pueden reducir la capacidad de retencion de fosforo.
En otras palabras, la determinacion de estos nutrientes es relevante, ya que nos
indicaran si el sustrato sera altamente utilizado en los procesos de digestion
anaerobica, ya que en caso contrario debera enriquecerse previa fermentacion.
El estudio de los contenidos de C (carbono) y N (nitrógeno) permite controlar la
evolución de formas de vida micro y macroscópicas en determinados ambientes
y/o circunstancias. El estudio del contenido en S (azufre) puede ser un indicador
de polución del aire o contaminación del agua.
50
Para la medicion de estos parametros se utilizo un equipo CHNS Perkin Elmer
Modelo 2400. Se utiliza principalmente en la investigación medioambiental para
averiguar el contenido orgánico en muestras de suelos, plantas y material filtrado
del agua o del aire. (Figura 10)
El análisis de C y S en las muestras de sustrato orgánico marino, se basa en la
combustión completa de la muestra, en condiciones óptimas (950 a 1300 ºC y
atmósfera de oxígeno puro), para convertir los elementos antes mencionados en
gases simples (anhídrido carbónico, nitrógeno, agua y anhídrido sulfuroso).
Figura 10. Equipo de análisis elemental CHNS Perkin Elmer Modelo 2400
2.3 ANALISIS BROMATOLOGICOS DE LAS ALGAS
La bromatología estudia los alimentos, su composición química, su acción en el
organismo, su valor alimenticio y calórico así como sus propiedades físicas,
químicas, toxicológicas y también adulterantes, contaminantes, etc. El análisis de
los alimentos es un punto clave en todas las ciencias que estudian los alimentos,
puesto que actúa en varios segmentos del control de calidad como el
procesamiento y almacenamiento de los alimentos procesados. [69]
51
Esta ciencia se relaciona con todo aquello que, de alguna forma, es alimento para
los seres humanos o tiene que ver con el alimento desde la producción,
recolección, transporte de la materia prima, etc. hasta su venta como alimento
natural o industrializado verificando si el alimento se encuadra en las
especificaciones legales, detectando la presencia de adulterantes, aditivos
perjudiciales para la salud, la adecuación en la esterilización, el correcto envasado
y los materiales del embalaje.
Los ingredientes del sustrato de algas pueden contener: carbohidratos, grasas y
proteínas. La composición bromatológica de ellas afecta directamente el desarrollo
de las reacciones de biometanización. Las grasas proporcionan la mayor cantidad
específica de gas, las proteínas, con respecto a la composición del gas, el mayor
contenido de metano en el gas de digestor.
2.3.1 DETEMINACION DE PROTEINAS POR EL METODO KENDAJHL
Los ingredientes del sustrato de algas pueden contener: carbohidratos, grasas y
proteínas. La composición bromatológica de ellas afecta directamente el desarrollo
de las reacciones de biometanización. Las grasas proporcionan la mayor cantidad
específica de gas, las proteínas, con respecto a la composición del gas, el mayor
contenido de metano en el gas de digestor. El contenido de proteínas en las
muestras fue basado en el Método Kjelhdal de la norma mexicana NMX-F-068-S-
1980. [58]
En general este método determina la materia nitrogenada total que incluye tanto el
nitrógeno protéico como el no protéico. Este método consta de las siguientes
etapas: digestión con acido sulfúrico durante la cual la muestra es sometida a
ebullición con ácido sulfúrico concentrado y mezcla digestiva conteniendo
sulfatos sódico, sulfato de potasio y oxido de selenio. Este paso provoca que todo
el nitrógeno de la muestra se convierta en sulfato de amonio.
52
En la etapa de destilación el sulfato de amonio obtenido en la etapa anterior se
destila con exceso de hidróxido de sodio formando hidróxido de amonio volátil el
cual es recibido en acido bórico continuando con la titulación, por último se
cuantifica el amonio obtenido con ácido sulfúrico o clorhídrico valorado.
La cuantificación de las proteínas de hace de forma directa, y se apoya
fuertemente de los resultados obtenidos del % de Nitrógeno según la ecuación 9:
% Proteínas = (%N) x 6.25
2.3.2 DETERMINACION DE CENIZAS POR EL METODO GRAVIMETRICO
La mayor parte de las cenizas contienen potasio y sodio debido a que las cenizas
corresponden al material remanente después de la combustión del material
orgánico este representa a los cationes y aniones que son el reflejo del
crecimiento de estas algas en un ambiente marino.
Esta determinación se basa en la calcinación de toda la materia orgánica
contenida en la muestra para cuantificar el residuo inorgánico mineral, es decir los
residuos orgánicos que quedan después de la ignición u oxidación completa de la
materia orgánica de un sustrato orgánico.
La metodología para este análisis se basó en el procedimiento registrado en la
norma mexicana NMX-F-066-S-1978. [70]
Según la norma, se comenzó pesando 3 g de muestra problema y se colocó en un
crisol, el cual previamente se dejó a peso constante. Se quemó hasta agotar todo
los materiales volátiles. Posteriormente se introdujo a una mufla como se observa
en la Figura 12, hasta la calcinación completa a 500 °C por 24 h. Se sacó, y se
metió en un desecador hasta que llegar a temperatura ambiente.
Finalmente el porcentaje total de cenizas de nuestra muestra Algal se determinó
con la ecuación 11:
53
Dónde:
P= Masa el crisol con la cenizas en gramos
p= Masa del crisol vacío (peso constante) en gramos
M= Masa de la muestra en gramos
Figura 11. Muestras del alga de Sargassum calcinadas.
54
2.3.3 DETERMINACION DE CARBOHIDRATOS POR EL METODO DE LANE-
EYNON
Entre los distintos componentes de los alimentos, después del agua, los
carbohidratos son las sustancias más abundantes y más ampliamente distribuidas
en la naturaleza; siendo la celulosa la biomolécula que se encuentra en mayor
cantidad en la biosfera, y el almidón, la fuente energética alimentaria más
empleada en el mundo.
En todos los seres vivos se encuentran presentes los carbohidratos ya que la
ribosa y la desoxirribosa son parte de su material genético.
De la misma forma, en las frutas y hortalizas los carbohidratos cumplen funciones
estructurales y energéticas, constituyendo algunos la estructura rígida o mecánica
de los tejidos vegetales; en tanto que en las semillas, raíces y tubérculos
funcionan básicamente como reservas energéticas.
Los carbohidratos se encuentran en las macro algas principalmente en forma de
azucares y gomas vegetales, probablemente contribuyen en una pequeña porción
al valor nutritivo de las algas. Algunos animales también poseen enzimas propias
o de origen microbiano capaces de hidrolizar estos carbohidratos para obtener
monosacáridos.
El método descrito en la norma mexicana NMX-F-312-1978 es el volumétrico de
Lane-Eynon reportado, y que se basa en la determinación del volumen de una
disolución de la muestra, que se requiere para reducir completamente un volumen
conocido del reactivo alcalino de cobre. El punto final se determina por el uso de
un indicador interno, azul de metileno, el cual es reducido a blanco de metileno por
un exceso de azúcar reductor. [71]
El método exige la preparación de soluciones necesarias dentro de la
experimentación y que solo son mezclas de sustancias puras como se menciona a
continuación:
55
La disolución A: Fue preparada disolviendo 34.482 g de sulfato de cobre
pentahidratado en 500ml de agua destilada y se filtró. La disolución B: Se disolvió
173 g de tartrato doble de sodio y 50 g de NaOH en agua, se diluyó a 500ml con
agua destilada, se dejó reposar por 5 días y se filtró.
La técnica pide posteriormente hacer la titulación A+B, de la siguiente manera:
Se neutralizó 10 ml de la disolución de azúcar invertido con la solución de NaOH
1N, en un matraz volumétrico de 100 ml y se completó el volumen con agua.
Después, se transfirió la disolución a una bureta, se tituló teniendo en el matraz
Erlenmeyer de 250 ml una mezcla de 5 ml de la disolución
A con 5 ml de la disolución B y 50 ml de agua en ebullición. Se agregó el indicador
azul de metileno y se procedió a hacer la titulación. Finalmente, se determina el %
de Carbohidratos con la ecuación 12:
Dónde:
T= título de la disolución A+B en gramos
V= volumen de la disolución problema en ml
P= peso de la muestra en gramos
2.3.4 DETERMINACIÓN DE MATERIA ORGANICA Y FIBRA CRUDA POR
DIGESTION ACIDA
Se determinó mediante una digestión acida que disuelve partes de la hemicelulosa
y una digestión alcalina que disuelve parte de la Iignina. El contenido elevado de
Fibra Cruda de un alimento indica un bajo nivel nutritivo ya que comprende
principalmente celulosa materia no digerible en plantas terrestres y algas cafes. En
general el contenido de FC de estas algas es bajo.
56
El contenido de Nitrógeno se relaciona con la cantidad de materia orgánica en la
proporción de 20:1. El análisis de cenizas totales y Materia Orgánica fue efectuado
con base en los métodos establecidos por la A.O.A.C. Aquí la materia orgánica es
oxidada y las cenizas que se obtienen como producto se consideran como parte
del mineral sobresaliente para su aprovechamiento en el sustrato. El análisis de la
fibra cruda, resulta un elemento esencial para las reacciones posteriores
necesarias de la producción de metano, ya que su constitución principal está
basada en celulosa, hemicelulosa, pecntinas, y lignina. [72]
Se sabe que en la última etapa del proceso de producción del biogás, el ácido
acético se transforma finalmente en metano. Esta reacción no es más que una
última fase de la fermentación de un polisacárido como la celulosa y en donde las
bacterias celulósicas rompen las moléculas de peso molecular elevado para
conseguir el producto deseado. Las sustancias con alto contenido de lignina no
son directamente aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos
previos (cortado, macerado, compostado) a fin de liberar las sustancias factibles
de ser transformadas de las incrustaciones de lignina. [73]
La metodología para la determinación de Materia Orgánica según el método de
Walker y Black modificado, propone que la determinación se basa en una
oxidación incompleta de carbono orgánico por una mezcla oxidante de dicromato
de potasio y ácido sulfúrico acentuada por el calor de dilución acuosa de ácido
sulfúrico (110-130°) dependiendo de la temperatura inicial del reactivo contenido
de materia orgánica y tamaño del recipiente de reacción. [74]
La cuantificación volumétrica del contenido de carbono orgánico, se efectuó a
través de los siguientes pasos:
Partiendo de material algal completamente calcinado y molido, se pesó 1 g de este
material y se depositó en un matraz de 500 ml. Se mezcló con 10 ml de dicromato
de potasio 1 N con agitación constante.
57
Después se incorporó gota a gota a la mezcla 20 ml de ácido sulfúrico
concentrado y se dejó reposar por 48 h. Una vez pasado el tiempo, se adiciono 10
ml de ácido fosfórico al 85 %, 0.2 g de Ioduro de sodio y 30 gotas de fenolftaleína.
Se tituló con una solución ferrosa al 0.5 N, presentándose un color azul en el vire.
Finalmente con el registro de los ml gastados en la titulación con la solución
ferrosa, se determinó el % de materia orgánica con la ecuación 13 y 14:
% CO = (N V − N ∗ T)peso muestra(g) xf% Materia Organica = %CO x 1.724
Dónde:
N1= Normalidad del dicromato
N2=normalidad de la solución ferrosa
V2= volumen del dicromato usado
T= volumen del sulfato ferroso gastado en la titulación.
2.4 DIGESTIÓN ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGANICA MARINA
El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la
reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de
los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los
productos tratados, al final de una serie de reacciones biológicas, el producto final
es un gas o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y el residuo, una mezcla de
productos minerales (N, P, K, Ca, etc.).[75,76,77,78]
58
Se preparó como prueba preliminar un lote de 4 matraces de 500 ml con
diferentes relaciones algas: agua, para determinar la relación óptima a la que se
trabajaría. Las muestras se lavaron, secaron y molieron para mejorar el proceso
de degradación de la materia orgánica, como se observa en la Figura 12.
Figura 12. Lavado, secado y homogenizacion de la muestra de algas
Los matraces kitazato se introdujeton a una tina llena de agua cuya temperatura
oscilaba en 37-39°C, con la finalidad de catalizar el crecimiento de las bacterias
metanogenicas.
Con base en las determinaciones de nutrientes minerales, analisis bromatologicos,
relaciones C:N, se propusieron 4 posibles diluciones en las cuales 2 de ellas se
tomaba el desplazamiento de la probeta por principio de Arquimedes y en 2 de
ellas las presiones con un manometro de mercurio. (Figura 13)
Se establecieron las diluciones en cada matraz kitazato con base en la Tabla 4:
59
Tabla 4. Relaciones utilizadas en la prueba con matraces
Matraz Dilución pH Temperatura Volumen Total
1 1:3 7.1 35°C 200 ml
2 1:3 7.1 35°C 200 ml
3 1:5 7.09 36°C 250 ml
4 1:5 7.10 36°C 250 ml
La reacción de fermentación anaerobia en los 4 matraces tuvo un tiempo de
retencion de 30 dias, para verificar el volumen y la presion de generacion del
Metano, se efectuaron 2 repeticiones de cada matraz para asegurar la veracidad
de los resultados.
Figura 13. Sistema de prueba con matraces
Con las diluciones optimas, se instaló un equipo prototipo del biodigestor, para la
producción de biogás a mayor escala. La Figura 14, muestra un esquema
representativo del equipo instalado en laboratorio:
60
Figura 14. Instalación completa del equipo
1 Agitador 5 Eliminador de CO2
2 Digestor 6 Varilla
3 Rejilla con material solido 7 Recuperador de gases
4 Recirculación de agua caliente 8 Manometro
El biodigestor, fue un equipo de vidrio transparente Pyrex de cuyo volumen es de
3 L, y será el equipo donde se depositara las relación 1:3 de algas y agua, para
obtener un volumen cercano a las ¾ partes de su capacidad total, y donde se
efectuara la reacción anaeróbica de la materia orgánica.
61
El biodigestor cuenta con una camisa de agua caliente de recirculación, y será
donde podamos controlar la temperatura de operación del equipo, para la entrada
y salida del agua, se tiene dos boquillas adaptadas al recipiente de plástico y en
donde mediante una pequeña bomba se podrá movilizar el agua.
Dentro del reactor, se introducirá una rejilla metálica de acero inoxidable, con la
finalidad de retirar manualmente la materia orgánica ya digerida al final del
proceso.
El sistema cuenta con un equipo de agitación mecánica, para que se produzca
una mezcla homogénea entre el agua y la materia orgánica, además de que se
busca eliminar la mayor parte de sedimentos posibles, y la digestión ocurra de
manera uniforme. El equipo es un agitador con ajuste regulable, que se manejó a
pocas revoluciones, ya que su propósito es solo mezclar homogéneamente y no
licuar, cuenta con una varilla de acero inoxidable para disminuir reacciones
indeseables, de oxidación del material, corrosión originada por la naturaleza de las
sustancias que reaccionan o desgaste con la temperatura al ser de plástico.
La tapa del biodigestor, fue adaptada de sistemas de almacenamiento, y tiene un
diámetro aproximado de 77 mm, su relevancia radica en que será el medio por
donde alimentemos la mezcla a digerir, además de servir para medir y tomar datos
sobre temperatura, tomas de muestras, y principalmente donde se evaluara el gas
producido por la fermentación. (Figura 15)
La tapa tiene 3 boquillas, y una central. En la boquilla central, se introducirá la
varilla de agitación mecánica, en las boquillas alternas, se introducirán los
diferentes instrumentos de medición, y en otra de las boquillas, la manguera para
la recolección del gas de la digestión.
62
Para la recolección de los gases, se instaló una garrafa de 15 L en la que se le
hicieron conexiones al sistema de reacción a través de unas mangueras de latex.
Una entrada es para la alimentación de los gases de reacción, ahí mismo se
adaptó la tapa del recipiente como salida hacia un sistema de neutralización del
CO2, además una nueva salida, para que se pudiera medir el volumen desplazado
por principio de Arquímedes en un recipiente de volumen conocido, funcionando
como manómetro de agua.
Figura 15. Tapa del biodigestor
Para eliminar el CO2 producido por la digestión, se adaptó una trampa de vapor
con una solución de NaOH 1 N, funcionando como un sistema de absorción de
gases, cuya finalidad principal se basa en la solubilidad de los gases, que al
reaccionar, se almacena en el líquido, purificando el biogás rico en metano y
eliminando el CO2 contaminante.
Dentro del sistema de reacción, se incorporó una rejilla de acero inoxidable, del
tamaño suficiente, para que entrara cómodamente en el reactor, y a su vez las
paletas del agitador mecánico no se interfirieran.
63
El propósito de este aditamento es que la materia orgánica agotada al final del
proceso de reacción, tiende a sedimentarse cuando cesa la agitación, entonces,
se podrá remover fácilmente todo el residuo del equipo únicamente retirándola de
él, y de esta manera cargando inmediatamente una nueva mezcla a reaccionar.
(Figura 16)
Esta rejilla fue útil al inicio, para evitar el contacto directo de la materia orgánica,
además al final, para retirar el material orgánico agotado y usarse como posible
fertilizante en algunos suelos carentes de nutrientes básicos.
Figura 16. Rejilla para atrapar el sólido orgánico agotado.
El sistema finalmente quedo completo, según se observa en la Figura 17.
64
Figura 17. Sistema completo de biodigestión.
65
CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 RESULTADOS DEL ANALISIS DE IDENTIFICACION FISICA
En este trabajo de investigación se estudiaron las algas de Sargassum (sargazo)
las cuales se consideran como macroalgas planctónicas de la clase
Phaeophyceae (algas pardas) en el orden Fucales. (Figura 18)
Figura 18. Representación física del alga Sargassum
Sus características físicas indican que es un material sólido, de color verde pardo,
de ahí la clasificación de algas pardas, su forma más común es cilíndrica, con
pequeñas vesículas rellenas de gas de hasta 3 mm, que les permite flotar en la
mayoría de los casos. Llegan a medir hasta 4 m con 1.5 de ancho. Sus
características físicas se muestran en la Tabla 5. [79]
66
Tabla 5. Características físicas del alga tipo sargazo
Características físicas
Indicador Descripción
Longitud 4 m
Estado solido
Color Verde pardo
Aspecto Cilíndrico-vesicular
3.2 RESULTADOS DEL ANALISIS DE NUTRIENTES
3.2.1 ANALISIS DE NITROGENO
Se analizó el nitrógeno presente dentro de las muestras de algas, para verificar la
viabilidad de la producción de biogás a partir de las mismas.
La determinación del nitrógeno es muy importante ya que es uno de los macro
elementos esenciales de toda planta, además se puede calcular el % de proteínas
presente en la misma.
En las Figuras 19 y 20 se incluyen las imágenes del proceso de obtención en
Laboratorio.
67
Figura 19. Representación de las primeras dos etapas del Metodo Kjeldahl:
izquierda: Digestión de la muestra, derecha: destilación.
Figura 20. Indicación del cambio de color en la titulación con HCl
Se encontraron variaciones de gran proporción entre el porcentaje obtenido
dentro de una muestra seca y una muestra fresca, ya que los macronutrientes
esenciales del alga varían de acuerdo a su etapa de crecimiento y estos tienden a
caer al final de su tiempo de vida.
68
Resultaron más elevados al inicio (fresca) y más bajos al final (secas). Cabe
destacar que las algas del tipo sargazo contienen unas pequeñas vejigas llenas de
nitrógeno las cuales le ayudan a flotar en el mar, y estas al estar seca la planta se
encuentran vacías o carentes de este gas. Los resultados de la investigación se
resumieron dentro de la Tabla 6, en el cual, se mostraron los promedios obtenidos
de los análisis realizados de las diferentes muestras.
Un aspecto importante del contenido de nitrógeno en los sustratos orgánicos para
la digestión anaeróbica, son las altas concentraciones que inhiben el desarrollo de
bacterias, lo que supone un inconveniente en el proceso de obtención de biogás.
Por lo que si el sustrato orgánico contiene alto contenido de nitrógeno, es
fundamental establecer una mezcla de residuos que, en codigestión, puedan
compensar las carencias de uno y otro tipo. Si una muestra resulta con alto
contenido de nitrógeno, como lo observado en los resultados de las muestras
frescas, se podría colocar en codigestión la glicerina, la cual es un residuo de la
producción de biodiesel, ya que este además de presentar una alta
biodegradabilidad, compensa el efecto inhibidor causado por el nitrógeno
amoniacal presente en los residuos.
Observando los resultados obtenidos en las muestras de algas secas podríamos
decir que con ellas es más viable la producción de biogás sin la necesidad de
recurrir a una codigestión con otro residuo.
Tabla 6. Resultados obtenidos en la determinación de nitrógeno
Resultados del análisis de NitrógenoSeca Fresca Vol. de HCl (0.1 N)
promedio gastado en latitulación.
% de Nitrógeno
32.5 4.55% 3.33 0.46 %
.
69
Los resultados obtenidos mostraron que las algas frescas contienen un alto
contenido de nitrógeno el cual podría afectar la producción de metano, de manera
que si se quiere realizar la digestión anaerobia de este residuo se debería buscar
otro residuo que compense el efecto del nitrógeno en las algas. Otra opción sería
que en lugar de realizar una digestión anaerobia se realizara una digestión aerobia
o compostaje ya que su contenido de nitrógeno lo haría un buen fertilizante. [80]
Por otro lado los resultados obtenidos en las algas secas dan un porcentaje de
nitrógeno adecuado para la producción de biogás.
3.2.2 ANALISIS DEL FOSFORO
Se determinó la concentración de fosforo por el método colorimétrico donde las
algas fueron convertidas en las cenizas para poder ser analizadas, se realizaron 7
repeticiones de la medición de la muestra patrón y 7 veces la muestra problema
de cenizas de algas con molibdato.
Se utilizó para las mediciones de la absorbancia, un Espectrómetro Hach DR
2010. (Figura 21)
Figura 21. Llenado de las celdas para leerse en el espectrofotómetro Hach DR
2010.
70
Los valores de las absorbancias obtenidas, se muestran en la Figura 22, en el eje
de las abscisas se reportan los valores de las concentraciones del P2O5 y en el de
las ordenadas, las absorbancias leídas en el equipo. Los valores promedio de la
muestra de algas de sargassum, reporta un valor aproximado de 24.9 en la
concentración del pentoxido de fosforo. La ecuación de la recta ajustada a los
valores fue: y = 0.0003x + 0.001.
Finalmente al sustituir los valores obtenidos en la ecuación 2, se obtienen valores
promedio en la concentración de fosforo (%) de 0.545 lo que coincide con el tipo
de algas pardas estudiadas por Etcheverry y López, Boda, Castro, Carrillo y
Casas, que reportaron valores entre 0.50% y 1.03% de fosforo. Cabe mencionar
que los % de fosforo obtenidos son ligeramente menores a los encontrados en
excretas de vacas (0.81 % P) y muy similar a verduras como coliflor y espárragos
(0.5-0.6 % P). [81, 82,83]
.
Figura 22. Grafica de los resultados de absorbancia del Fosforo
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0 20 40 60 80 100
abso
rban
cia
(nm
)
Concentración P2O5
71
3.2.3 ANALISIS DE SODIO Y POTASIO
Se utilizó un equipo de análisis de fotometría en llama Modelo 410 C, mostrado en
la Figura 23.
Figura 23. Fotómetro de flama Modelo 410 C
En cuanto a la composición de los nutrientes de sodio y potasio, se realizaron los
estándares correspondientes para la curva de calibración del Na y K, de 0, 1,
4,8,12 y 16 ppm, midiendo la intensidad de la llama con longitud de onda de 762
nm, para el K y con una longitud de onda de 586 nm se puede cuantificar el sodio.
Los valores medidos en los estándares se muestran en el gráfico de la Figura 24,
en el eje de las abscisas se muestran las concentraciones en partes por millón de
los elementos, mientras que en el eje de las ordenadas, los valores de las
absorbancias promedio de las muestras analizadas. Se efectuó una línea de
tendencia de los valores y se obtuvo una ecuación del gráfico y = 0.0294x +
0.0098.
72
Figura 24. Grafico obtenido de la concentración (ppm) contra absorbancia (nm) de
los análisis de Na y K
Finalmente se leyeron los resultados de las muestras de sustratos algales, y se
reportaron valores promedio entre 3.22 y 3.43 % de Na y de 3.91 a 4.09 % de K.
Se puede observar que si se comparan estos valores con los de otros tipos de
algas como la Macrocystis, que ha reportado valores de sodio promedio de 3.42%
a 7.1%, son valores cercanos, a pesar de que resulto ser uno de los elementos
minerales de mayor concentración, ya que alimentos tales como el atún (0.8 %
Na) son consumidos y metabolizados en el organismo sin problema alguno.
Valores altos de este elemento ocasiona una pobre asimilación de Magnesio. En
los materiales de alimentación para el ganado vacuno, se emplean forrajes con
contenidos de sodio de 0.06 % y 0.12 %. [84]
El contenido de potasio en hojas secas va del 1 al 5 %. Los valores de suficiencia
varían entre 1.5 a 3 % en hojas recién maduras de las plantas secas. Los valores
obtenidos para las algas de Sargassum, son altas, pero normales para este tipo de
materia orgánica marina. Los frutos que producen mucho son mineral de este tipo
son por ejemplo el plátano de 1680 kg K/HA. [85]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20
Abso
rban
cia
(nm
)
Concentración (ppm)
73
Los granos contienen 0.3% a 0.8%, productos vegetales 1.0% a 5%, productos de
origen animal 0.3% a 2% como la leche, el pescado y las carnes rojas.
3.2.4 ANALISIS DE CALCIO
La norma oficial mexicana NMX-Y-021-SCFI-2003 ayuda a determinar los % de
Calcio en residuos y materiales orgánicos, con base en el método volumétrico.
Se efectuaron los análisis de calcio por 8 repeticiones de muestras de algas
Sargassum de todo el periodo de muestreo. Se observa que en las muestras de
temporada húmeda, los porcentajes fueron ligeramente menores, esto se debe a
que las sales contenidas en el suelo son lavadas por la marea, mientras que
ligeramente altas en las temporadas de acumulación de sales o en sequias.
Figura 25. Gráfico del promedio del % de Calcio
El promedio de los porcentajes de calcio obtenidos para las algas del tipo sargazo
fue de 6.86 %, y cuyos valores se muestran en la Figura 25, y siendo el elemento
que mayor proporción reporto, pero que es similar al reportado por Casas y
Carrillo para este tipo de especie de algas pardas.
1 2 3 4 5 6 7 8%Ca 7.052632 6.947368 6.9 6.842105 6.842105 6.842105 6.736842 6.736842
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
% C
alci
o
74
Además la evaluación de este mineral, se puede comparar con otros tipos de
algas como siendo mayor que la Ulva spp que tiene valores reportados dé % de
Calcio de 5.80 o menores que el alga Bryopsis hypnoides de 9.7 %.
Los valores del % de calcio en hojas secas se estiman del 0.2 al 3 % en peso seco
de las hojas. Los porcentajes de suficiencia para el crecimiento del alga son del 1
%. Este tipo de mineral se da en mayor proporción en las algas más viejas.
3.2.5 ANALISIS DEL MAGNESIO
El promedio de los análisis del % de Magnesio reportados por el método
gravimétrico, se observan en la Figura 26. Un promedio de 1.379 % de Magnesio
fue el obtenido para las 8 muestras analizadas a lo largo de todo el periodo de
recolección. Se analizó una muestra aproximada por mes, y se observa que los
valores de este elemento se relacionan en proporción con los demás minerales
esenciales en el crecimiento y desarrollo del alga.
Figura 26. Gráfico de los % de Mg en las muestras analizadas
1 2 3 4 5 6 7 8% Mg 1.338313 1.365625 1.368356 1.390206 1.390206 1.392938 1.395669 1.395669
1.3
1.32
1.34
1.36
1.38
1.4
1.42
% M
g
75
Considerando otros tipos de algas pardas como las Hydroclathrus clathratus, y la
Padina durvillaei, los valores obtenidos están dentro del promedio de 1.29 % Mg, y
1.79 % Mg. Comparando con alimentos como el frijol (0.14 % Mg), avena (0.15 %
Mg) este tipo de algas muestran valores elevados. Excretas de algunos tipos de
ganados como el de vaca (0.51 % Mg) y puerco (0.67 % Mg), que se utilizan en
procesos de biodigestión también tiene valores bajos de este mineral en
comparación con las algas de sargazo. [86]
3.2.6 ANALISIS DEL pH
Se utilizó la norma mexicana NMX-F-317-S-1978 en la determinación del pH de
las muestras de algas. Se realizaron análisis de varias muestras tomadas en
diferentes épocas del periodo de muestreo. Se utilizaron relaciones sustrato: agua
de 1:3 como lo indica la norma.
Figura 27. Determinación del pH de las muestras de algas, con el uso del
potenciómetro y papel pH
Las pastas uniformes que se formaron al licuar el sustrato con el agua, se les
midió el pH de dos formas, según lo muestra la Figura 27.
76
Primero se utilizó una tira de papel pH con la finalidad de establecer una base
sobre la acidez o basicidad de las muestras, observándose el comportamiento
neutro en todas. Posteriormente se utilizó el método potenciometrico, calibrando
previamente el equipo con las soluciones buffer, e introduciendo el electrodo en
cada una de las mezclas. El promedio de los valores de las muestras recolectadas
fue de 7.04, comprobándose su carácter neutro.
Este tipo de valores obtenidos de pH, se relaciona con materiales que pueden
sintetizar y contener cantidades considerables de nutrientes minerales tales como
nitrógeno, magnesio, calcio, azufre, potasio y fosforo.
Algunos autores establecen que las complejas relaciones ecológicas entre los
microorganismos en la degradación anaerobia a pH neutros en los sustratos,
determinan eficientes reacciones metabólicas y características fisiológicas, en la
composición de gases del biogás. Comparando los resultados obtenidos con otros
tipos de algas como la Ulva Lactuca, se han reportado valores de 6.8-7.0, con
algunas plantas como la acelga (6.0-7.0), el lino (5.0-7.0), con alfalfa (6.8-7.6),
con cacahuate (5.2-6.5), con soya (6.0-7.0).[87,88]
3.2.7 ANALISIS DE AZUFRE y CARBONO ELEMENTAL
El proceso microbiológico para la obtención del biogás no solo requiere de fuentes
de carbono y nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto
equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, y otros
menores). El carbono orgánico es un indicador de la presencia de compuestos
orgánicos fijos o volátiles presentes, como celulosa, azúcares, aceites y otros.
En la tabla 7, se mencionan los valores obtenidos de una serie de corridas en el
equipo de análisis elemental para el azufre y el carbono. Se pueden observar
relaciones C/S de 1.9 en promedio.
77
Tabla 7. Resultados de los % de azufre y carbón elemental
No de Muestra Masa (g) % Carbón % Azufre
1 0.1345 3.85 2.02
2 0.12390 4.42 2.26
3 0.10810 4.10 2.18
Los valores considerablemente altos en estos elementos, hacen ideal la
posibilidad de transformar las algas de sargazo en procesos de producción de
metano, ya que los valores del % de Carbono como materia orgánica básica
promueven las principales reacciones de iniciación del proceso de digestión, y que
las relaciones C:N son determinantes en el proceso, en las algas de sargazo
secas se obtuvo relaciones C/N de 9:1, la relación de C:N en residuales porcinos
es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8; para humanos es de 8 y
para residuos vegetales es de 35. La relación óptima se considera en un rango de
30:1 hasta 9:1, una relación menor de 8:1 inhibe la actividad bacteriana debido a
la formación de un excesivo contenido de amonio. [60,65]
Los análisis de azufre abren la posibilidad de analizar dos cuestiones importantes,
la disponibilidad de este nutriente en el proceso de metanización, y la formación
de ácido sulfhídrico en el biogás, para su posible separación mediante procesos
de absorción, para que al paso del tiempo cuando se aproveche como fuente de
combustible, no dañen fuertemente a los equipos donde se almacena.
Las algas marinas producen el propionato-dimetilsulfonio como un soluto
compatible. Los solutos compatibles son compuestos utilizados por muchos
microorganismos para ajustar la actividad de agua citoplásmica.
78
Estos compuestos le permiten a muchos microrganismos, que viven en ambientes
con una baja actividad de agua (ambientes marinos, salitrales, cuerpos de agua
eutróficos) el obtener agua aumentando su concentración de solutos solubles
intracelulares. Los solutos compatibles no inhiben los procesos bioquímicos
intracelulares y en términos generales son compuestos muy solubles en agua
3.3 ANALISIS BROMATOLOGICOS
Se efectuaron análisis de proteínas, carbohidratos, cenizas, materia orgánica, fibra
cruda, ya que los resultados de estos análisis, ayudaran a determinar la
factibilidad en la producción del biogás que se pretende, la riqueza del sustrato
algal y la vía para la producción del biocombustible.
3.3.1 ANALISIS DE PROTEINAS
El contenido en proteínas en las algas puede variar mucho entre los grandes
grupos de algas (pardas, rojas y verdes).
El contenido proteico en las algas pardas es generalmente bajo (5-24% del peso
seco), este rango de datos se pudo establecer con base en los resultados de los
análisis del % de proteínas en las algas, según la tabla 8, donde a simple vista se
muestra un aumento proporcional con el resultado de los análisis del elemento
nitrógeno.
Este porcentaje de contenido proteico en esta especie de algas determina la
posibilidad de considerar las como un residuo altamente biodegradable, el cual
puede ser considerado un sustrato ideal para el proceso de digestión anaerobia en
la producción de biogás. [86]
79
Estos niveles son comparables con los niveles de proteína encontrados en
vegetales ricos en proteína como la soja llegando incluso al 40% del peso seco. Si
tomamos en cuenta que la recomendación de ingesta diaria de proteína es de 0.8
gr. de proteína por kilogramo de peso corporal y que los granos utilizados como
alimento básico, (maíz, frijol y trigo), igualan o están por debajo del contenido
proteico de algunas de estas algas, podemos considerar a las algas como
complemento alimenticio en proteínas, además se establece que la materia
orgánica fresca, posee una mayor cantidad de proteínas que la materia seca,
siendo una proporción casi de 14 veces mayor.[89]
3.3.2 MATERIA ORGANICA, CENIZAS Y FIBRA CRUDA
Las algas pardas son las algas más comúnmente utilizadas para la alimentación
humana. Las algas pertenecientes a cada grupo se distinguen por la composición
específica de los polisacáridos estructurales de la pared celular y de reserva. La
mayor parte de estos polisacáridos que forman parte de la composición de las
algas, pueden ser considerados como fibra, ya que no son digeridos por el equipo
enzimático humano. [90]
En la tabla 9, se muestran los resultados sobre los análisis de Materia Orgánica,
Cenizas y Fibra cruda.
Tabla 8. Resultados obtenidos en la determinación de proteínas
Resultados del análisis de ProteínasSeca Fresca Vol. de HCl (0.1 N)
promedio gastado en latitulación.
% de Proteína
32.5 28.43% 3.33 2.87 %
80
Se observa que estas especies de algas pardas presentan valores ricos de
materia orgánica, este parámetro la hace especial para poder emplear esta alga
como un sustrato ideal, sin necesidad de combinarlo con ninguna otra materia
orgánica y que fácilmente puede ser fermentada bajo procesos anaerobios,
además que el contenido de materia orgánica, está íntimamente relacionado con
los cálculos para la obtención del potencial del biogás que se obtendrá.
Se obtuvo un valor de Fibra cruda del 4.4 %, resultado que concuerda con los
rangos de este parámetro para el grupo de algas del genero Phaeophyta de la
que se han reportado rangos de valores de 6.16 a 4.0 %. Las algas en su mayoría
están compuestas de mucilagos cuyos componentes están incluidos entre las
fibras dietéticas y de acuerdo con el Instituto Nacional de la Nutrición las
recomendaciones sugeridas para el consumo humano de fibra es de 25 a 30 gr.
por día y por los datos obtenidos en el presente trabajo, consideramos a las algas
como fuente importante de fibra tienen 4.4 gr. de fibra en 100 gramos de peso
seco de algas de sargazo.
Los resultados de fibra cruda y cenizas pueden ayudar a establecer la posibilidad
de que los productos finales de reacción no tomaran mucho espacio en el equipo
donde se lleve a cabo la reacción de generación de biogás y además podrá ser
fácilmente retirada del equipo. La fibra alimentaria en las algas pardas se
compone de cuatro familias de polisacáridos: laminaranos, alginatos, fucanos y
celulosa. Los laminaranos constituyen polisacáridos de reserva, mientras que el
resto son polisacáridos estructurales que forman parte de la pared celular. [91]
Tabla 9. Resultados de los análisis de Materia Orgánica, % de cenizas y Fibracruda
Materia Orgánica, Cenizas y Fibra CrudaParámetro %
Materia Orgánica 84.07Cenizas Totales 15.51
Fibra Cruda 4.4
81
El contenido de cenizas presentó un promedio del 15.51 %; esto indica que un 15
% de los residuos ya se han degradado o por sus características fisicoquímicas
no pueden degradarse ni producir biogás, además algunos otros tipos de algas del
mismo género han mostrado valores similares, y esto se debe a que el contenido
de nutrientes minerales es alto, y bastara cuantificar aun otros como Manganeso,
Boro, Azufre, Cadmio, etc.
3.3.3 ANALISIS DE CARBOHIDRATOS
Los azucares son fundamentales para el desdoblamiento de algunas enzimas, la
glucosa es de los azucares presentes en la mayor parte de los productos
orgánicos. Las algas por pertenecer a espacios marinos cuya concentración de
sales es muy amplia, se espera que carezcan de dichos azucares. [92]
Los análisis efectuados por el Método de Lane-Eynon muestran un contenido de
carbohidratos del 72 %, estos azucares además de ayudar a ser fuentes de
almacenamiento de la energía, ayudan en el procesos de hidrolisis por ser
altamente solubles en agua.
3.4 GENERACION DE BIOGAS
3.4.1 RESULTADOS DE LA PRUEBA PREELIMINAR CON MATRACES
Fue posible obtener biogás de la prueba preliminar de matraces kitazato, con las
algas de Sargassum obtenidas de la playa de Cd. Madero. Con la medición y el
control de las variables de proceso, se establecieron los parámetros y las
relaciones necesarias para extrapolar el proceso a una mayor capacidad de
digestión anaerobia.
En la Tabla 10, se observan los resultados de las pruebas en las relaciones 1:3 y
1:5 de algas: agua. Las temperaturas no tuvieron mucha variación, y la producción
mayor de biogás, para un volumen de 200 ml (agua-algas), fue de 93 ml.
82
Tabla 10. Resultados obtenidos de las pruebas de reacción anaerobia con
matraces.
Relación 1:3 Relación 1:5Días T (°C) V (ml) T(°C) V (ml)
0 35 0 36 01 35.1 2.5 35.2 32 34.9 6 35.1 53 34.6 8.1 35.3 114 34.7 11 35.2 12.15 34.9 14 35.6 15.26 35.1 22 35.5 177 35 25 35.4 208 35 28.8 35 239 35.2 31 35.1 25
10 35.4 36 35.4 28.811 35.4 42 35.4 31.412 35.6 44 35.5 3613 35.6 46.1 35.9 39.114 35.7 47 36 41.315 35.4 54 36.1 4616 35.9 60 36.1 48.817 36 65.9 36 51.418 36.1 68 36.4 56.219 36.5 77 36.5 60.120 36.6 79 36.6 65.421 37 86 36.7 68.922 37.1 90 36.7 70.223 37.3 91 36.7 77.924 37.1 90 36.8 76.425 37.5 92 36.9 8026 37 93 37 81.427 36.8 90 37 88.928 36.6 88 36.6 87.329 36.5 72 36.5 86.430 36 66 36.5 85.8
83
La proporción de 200 ml con la relación 1:3, indica que se manejaron proporciones
aproximadas de: 60 gr de materia orgánica con 140 ml de agua. Con la relación
1:5, se manejó aproximadamente 50 gr de sustrato orgánico con 190 ml de agua.
Figura 28. Gráfico de T vs días de reacción
Figura 29. Gráfico de Volumen de biogás vs días de reacción.
34
34.5
35
35.5
36
36.5
37
37.5
38
0 5 10 15 20 25 30 35
T (°
C)
Dias
T (°C) R 1:3
T(°C) R 1:5
-20
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30 35
Volu
men
del
bio
gas
(ml)
dias
Relacion 1:3
Relacion 1:5
Polinómica (Relacion 1:3)
Polinómica (Relacion 1:5)
84
En la Figura 28 se muestra el grafico que relaciona la temperatura dentro de los
matraces en función de los días transcurridos para establecer el equilibrio en la
reacción anaeróbica y producir finalmente el biogás.
Se puede observar para las distintas relaciones sustrato: agua, que la cantidad de
materia orgánica está en función del volumen de gas producido, controlando
adecuadamente la temperatura y las condiciones de anaerobicidad adecuadas,
esto con la finalidad de relacionar la concentración de sólidos en la evaluación
final del bioreactor a mayor escala.
Para los matraces con la relación 1:3, el sistema tardo aproximadamente 8 días en
establecer un equilibrio en la reacción, ya que al inicio la temperatura tuvo algunas
variaciones, hasta que comenzara a aumentar, debido a la acumulación de gas en
el sistema cerrado por el incremento de la presión dentro del matraz.
Una vez establecidas las reacciones sucesivas para el proceso de digestión
anaerobia, la temperatura fue aumentando, hasta alcanzar su nivel más alto de
37.5 °C, siendo su punto de partida de 35°C, y culminando el día 27 donde la
temperatura comenzó a disminuir, dando referencia a que las reacciones ya
habían agotado la materia orgánica.
Para los matraces con una relación 1:5, se observó un comportamiento similar en
la temperatura al inicio del proceso, ya que duro casi 10 días, que se comenzara a
estabilizar el proceso, las bacterias comenzaran a degradar la materia organiza, y
se llevaran a cabo las reacciones sucesivas.
En este experimento, se pudo observar que el comportamiento de la temperatura
no tuvo tanta variación como en el otro, y esto posiblemente a que la cantidad de
materia fue menor, a pesar de tener una mayor cantidad de agua.
Finalmente, la reacción termino casi al día 30, notándose que a pesar de esto, la
temperatura aún se mantenía alta con relación a la cual comenzó.
85
En la Figura 29, se observa el grafico del volumen producido por la reacción
anaeróbica dentro de los matraces, en función de los días que se dejaron
fermentar, controlando todas las variables del proceso.
En la relación 1:3, se pudo observar que la producción del gas comenzó
aproximadamente entre al día 6 y el día 8, cuando alcanzo una mayor proporción
de volumen de desplazamiento de la probeta de agua, por la presión del gas en el
sistema cerrado.
Se observó, que la influencia de la masa del sustrato está ligada directamente con
la cantidad de biogás producido, ya que las bacterias tendrán una mayor cantidad
de materia orgánica para consumir y transformar a través de todo el proceso de
digestión hasta formar un mayor volumen, el cual se pudo cuantificar como 93 ml.
En la relación 1:5, la cantidad de agua, aparte de favorecer el proceso de hidrolisis
como primera reacción de producción de gas, está en algún modo tuvo
repercusiones, ya que observo que la temperatura tuvo una menor variación a lo
largo del periodo de reacción, además que la cantidad de biogás dentro de los
matraces no fue tan elevada como en el primer experimento, además que su pico
más alto de generación fue aproximadamente de 88.9 ml, que aunque cercano,
pero casi 4.1 ml menor volumen.
Además en la relación 1:5, aunque la generación de biogás fue un poco menor, al
final de los primeros 30 días, el volumen que aun permanecía en los matraces era
alto, pudiendo ser por la posibilidad de que la reacción de degradación aún estaba
consumiendo la materia orgánica, y las bacterias mesofilicas metanogenicas que
aun predominaban no habían muerto ni desactivado la reacción de formación de
metano.
86
3.4.2 RESULTADOS DE LA PRUEBA FINAL CON EL BIOREACTOR
Para este caso, el volumen del biodigestor fue de 3 L, normalmente es
recomendado llenarlo con un 70 a 80 % de su capacidad. Por lo tanto se llenó
aproximadamente 2.3 L de mezcla agua- sustrato. Por lo tanto la cantidad de agua
para agregar al sustrato fue:
2.3 kg = 100 * (0.155 * M biomasa) / 8
M biomasa = 1.18 kg
M agua = 2.3 kg – 1.18 kg = 1.31 kg = 1.31 L
De esta forma, podemos determinar la cantidad exacta de materia orgánica y el
volumen real de agua.
Considerando las temperaturas optimas entre 35 y 36 °C, para la reacción
anaeróbica se comenzó examinando la posibilidad de orientar la reacción con las
mismas temperaturas, para asegurarse la producción del biogás en los tiempos
verificados.
Entonces, se intentó regular la temperatura con un baño térmico en recirculación,
donde se comenzó con una temperatura de 35 °C.
Basta recordar que la mezcla que se introdujo al biodigestor fue previamente
acondicionada, triturándola con una licuadora casera, para homogenizar la materia
orgánica y acelerar el proceso de reacción. Con ayuda de una jeringa quirúrgica
fueron tomadas muestras de 5 ml aproximadamente para determinar las
mediciones de pH, cuidando las condiciones de anaerobicidad.
Se sabe que las mediciones del pH, son importantes, ya que esta variable puede
determinar las variaciones de acidez-alcalinidad de la reacción, además que
valores menores a 6.2 pudieran ocasionar repercusiones fatales para las bacterias
que producirán las reacciones biológicas, siendo condiciones toxicas para ellas.
87
En la tabla 11, se observan los distintos valores de las variables medidas en el
equipo para los 30 días que duro la reacción, siendo: pH, temperatura, presión,
volumen de gas/volumen del reactor.
Tabla 11. Resultados finales de las variables medidas en el reactor
Días pH T (°C) P(Pa) V(L) gas0 7.04 35 0 01 7.04 35 1.00658357 0.0136363642 7 36 1.02936271 0.0327272733 7.04 36 1.07149755 0.0441818184 7.05 36 1.08914151 0.065 7.05 36 1.11692416 0.0763636366 7.09 36 1.12113765 0.127 7.08 36.1 1.14786693 0.1363636368 7.1 36 1.19158182 0.1570909099 7.1 36.4 1.25596911 0.169090909
10 7.13 37 1.30547754 0.19636363611 7.19 37 1.31206111 0.22909090912 7.29 37 1.31469454 0.2413 7.11 36.9 1.31732796 0.25145454514 7.08 37 1.32786167 0.25636363615 7.05 36.9 1.3304951 0.29454545516 6.9 36 1.33365521 0.32727272717 6.81 36.1 1.33576195 0.35945454518 6.87 36.4 1.34234552 0.37090909119 6.93 37 1.34234552 0.4220 6.99 37.4 1.35156252 0.43090909121 7.04 37.66 1.35287923 0.46909090922 7.06 37.5 1.35551266 0.49090909123 7.05 37 1.35814608 0.49636363624 7.07 37 1.3792135 0.49090909125 7.1 36.33 1.38184693 0.50181818226 7.01 36.2 1.38711378 0.50727272727 7.03 36 1.37131322 0.49090909128 7.03 36.1 1.35682937 0.4829 7.01 36.1 1.35551266 0.39272727330 7.01 36 1.34366224 0.36
88
En la Figura 30, se observa el grafico de la variación del pH con los días de
reacción que se estableció desde el inicio para fermentar la materia orgánica algal.
Se puede observar y comprobar, que en el experimento, sucedió algo similar a las
pruebas con los matraces, al inicio de la reacción, en el proceso de hidrolisis, las
bacterias tardaron aproximadamente 11 a 12 días en degradar la materia y
consumir todo el CO2 presente, posteriormente en la etapa de acidogenesis, las
bacterias lograron transformar el contenido a pH hasta cercanos a 7.1. En la etapa
de acetogenesis, las bacterias comenzaron a formar compuestos acetogenicos, y
se pudo observar en la disminución definida del comportamiento de esta variable.
Figura 30. Variación del pH con los días de reacción del bioreactor
La influencia del pH, en los resultados, fue punto clave para establecer los días en
que las distintas fases del proceso de digestión anaeróbica se iban suscitando,
además, la relación directa de esta variable, con la temperatura no fue una
tendencia establecida, ya que esta solo depende de los factores internos
biológicos del proceso de reacción y de los componentes de la materia orgánica.
6.85
6.9
6.95
7
7.05
7.1
7.15
0 5 10 15 20 25 30 35
pH
días
pH
89
Figura 31. Variación de la Temperatura del biodigestor con los días de reacción
Figura 32. Variación de la Presión interna, con los días del proceso de reacción.
34.5
35
35.5
36
36.5
37
37.5
38
0 5 10 15 20 25 30 35
T(°C
)
días
T (°C)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 5 10 15 20 25 30 35
P(Pa
)
días
P(Pa)
90
Como conclusión del análisis del pH se puede considerar que los valores que se
determinaron no limitaron la producción del biogás, ya que no alcanzaron valores
por debajo del 6.2, además se ha considerado que puntos cercanos a la
neutralidad de la biomasa (pH=7), son valores aceptablemente buenos y capaces
de desarrollar una digestión anaerobia exitosa.
En la bibliografía se reporta, que al inicio del proceso, se tiene el inconveniente de
una acidificación muy marcada de la mezcla de reacción, y los resultados lo
pudieron constatar, pero no fueron una causa de disminución de la generación de
biogás. [93]
En la figura 31, se muestra el grafico de la Temperatura del proceso de digestión,
contra el tiempo de retención en el equipo. Recordando que los reactores
anaerobios pueden trabajar en distintos rangos como: psicrófilo, menor a 20 °C,
mesófilo, entre 30 y 40 mientras que el termófilo está entre 40 y 70. Lo que se
busca es que se aumente la temperatura ya que es proporcional a la tasa de
hidrólisis, la velocidad de crecimiento de las bacterias y a su vez la producción de
biogás.
En el experimento se pudieron observar variaciones de temperatura en las
primeras etapas de la digestión, a pesar del control que se tenía de esta, fue
necesario cuidar mucho el comportamiento y los diferenciales que se iban
presentando en los días continuos del proceso.
La mayor temperatura registrada fue de 37.6°C, casi en las etapas finales del
proceso de metanogenesis, apoyando la teoría del aumento de la energía en la
degradación de la materia por los microorganismos.
A partir del día 28, se observa una disminución en la producción de biogás a pesar
que la temperatura se mantuvo relativamente constante. Es posible que a pesar
que la actividad bacteriana se mantuviese constante, las bacterias ya no tuvieran
alimento para digerir y por ende permitir la producción de biogás.
91
En la Figura 32, se observa el comportamiento de la presión del sistema en
función de los días de tratamiento de la reacción. Se pudo comprobar mediante el
uso de un Manómetro en forma de “U”, que contenía mercurio, que la presión
aumentaba satisfactoriamente conforme se iban produciendo los gases dentro del
equipo.
Esta variable termodinámica, está íntimamente relacionada con la Temperatura,
ya que se espera que si una aumente dentro del sistema, la otra también lo haga,
esto se pudo establecer una vez que el sistema completo la primera fase de
estabilización y se observó una relación muy notable entre las dos variables.
La presión se pudo calcular mediante la ecuación del Manómetro, tomando las
diferenciales de alturas correspondientes en los días sucesivos y aplicando la
ecuación 12:
P abs= +De esta forma se fueron calculando las presiones absolutas de cada uno de los
días de operación del equipo, y tabulando los datos, para visualizar el
comportamiento de la reacción. Se pudo notar un aumento considerable de la
presión dentro del reactor, y que con base en el volumen, fue proporcional según
el comportamiento de un gas ideal. En conclusión, la variación de la presión en
este caso pudo deberse a procesos internos de la actividad microbiana en las
diferentes fases del proceso anaerobio, que iban generando un volumen de gas.
En la Figura 33, se pudo comprobar la hipótesis de que al maximizar el volumen
del biodigestor, también se aumentó la cantidad de gas producido.
La producción promedio de biogás tras los 30 días que duro en transcurso de la
reacción fue de 280 ml, obteniéndose valores de hasta 500 ml de biogás en las
etapas finales de la reacción metanogénica.
92
Figura 33. Volumen de biogás generado en el reactor
3.4.3 PROTOTIPOS DE LA INSTALACION DEL BIODIGESTOR EN LA PLAYA
A continuación se muestran, en las Figuras 34, 35 y 36, las propuestas de algunos
prototipos viables para la aplicación del proyecto en la etapa real, para el
aprovechamiento del biogás.
Figura 34. Prototipos de aprovechamiento del biogás
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30 35
Volu
men
gas
(L)
días
93
Figura 35. Prototipo de aprovechamiento del biogás con tuberías que abastecen
una fuente de calor.
Figura 36. Prototipo de aprovechamiento del biogás, en función de un tanque
enterrado a un costado de la palapa.
94
3.4.4 MEDICIONES DE BIOGAS
Se pudo determinar teóricamente la presión parcial que ejercía cada componente
obtenido en el biogás en función de un comportamiento ideal y real de la mezcla
se CH4 y CO2 considerando que el H2S, N2 y H2 fueron despreciables. Para lograr
esto, partiendo de los volúmenes obtenidos en las pruebas de reacción y
apoyándose de la ecuación de gases ideales, se determinó primero los moles (n)
totales del biogás, después se calculó el volumen ideal normalizado a condiciones
de 1 atm y 273 K.
La ecuación de estado del gas ideal queda representada como:
PV= nRT
Dónde:
R= Es la constante universal de los gases.
n = Son los moles totales del gas obtenido.
T= Es la temperatura de operación a la que se mantuvo el proceso.
V= Es el volumen del biogás.
P= Es la presión total del bioreactor.
Posteriormente, con ayuda de la ecuación de estado de Redlich/Kwong se
determinó la presión parcial de los gases contenidos en el biogás.
La ecuación de estado del comportamiento real queda representada como:= − − ( − )( − )( + )Dónde:
= 0.42748 .= 0.08664
= /
95
= =Tc= Es la temperatura critica del componente puro
Pc=Es la presión critica del componente puro
Para los gases que conforman el biogás, los valores de las constantes semuestran en la Tabla 14:
Tabla 14. Valores de las constantes de la ecuación de Redlich/Kwong
COMPONENTE M (g/mol) Pc (atm) Tc (K)CH4 16 46.4 190.7CO2 44 73.7 304.2H2S 34 90.07 373.7N2 28 33.94 126.2H2 2 13.15 33.3
Finalmente se pudo calcular los % mol despejándose de la ecuación de Daltón conlas presiones parciales previamente calculadas:=Los resultados se pueden observar en la Tabla 15:
COMPONENTE % molar niCH4 53.9072369 0.01471668CO2 46.0186631 0.0125631H2S 0 0N2 0.073 1.9929E-05H2 0.0011 3.003E-07
En la mezcla del biogás producido con las algas de Sargazo, se estimó
teóricamente que existe una mayor proporción de Metano, siendo del 53.9% en
comparación del CO2 del 46 %, apoyándose la hipótesis de que los demás gases
se producen en proporciones muy pequeñas.
96
3.4.5 DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DEL PROCESO ANAEROBIO
Si se plantea un balance inicial del proceso de reacción en condiciones de estado
estable para la generación de biogás rico en metano como:
MATERIA ORGANICA CH4 + CO2 + ENERGIA
Es posible determinar el rendimiento del proceso de reacción con base en los
resultados teóricos calculados de la cantidad de moles finales del proceso en
función de los análisis bromatológicos del % de Materia Orgánica, de la siguiente
manera: % Materia Orgánica = 84.04 %, % Carbohidratos = 74 % y considerando
que se metieron al reactor 1.18 kg de sustrato algal, entonces la cantidad de
carbohidratos iniciales fue de 0.849 kg. Considerando el volumen producido de
biogás y el % teórico de metano = 53.9 %, se puede determinar la masa del gas
en el biogás convirtiendo el volumen a masa con la densidad del metano puro =
0.66 kg/m3. Finalmente se obtuvo un rendimiento de la reacción de 73.61 %.
3.4.6 COMPARACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEAL CON ELEXPERIMENTAL EN EL BIOREACTOR
En base a la determinación del volumen ideal normalizado con la ecuación de
gases ideales, se pudo comparar los resultados del volumen producido a
condiciones estándares en función del volumen obtenido del experimento, como
se puede observar en la tabla 12.
Se puede observar que la tendencia de los valores ideales es muy cercana a los
reales, ya que las condiciones de reacción pueden ser orientadas a la idealidad
por obedecer a comportamiento de presiones bajas y temperaturas altas a lo largo
de la reacción, aseverando que es factible considerar al biogás como un gas ideal
a lo largo de la reacción.
Finalmente se determinó la densidad del gas con base en el volumen y los %
molares de metano y dióxido de carbono, estimándose de 1.26 g/m3, que es un
poco alto comparado con algunos autores de 1.16 y 1.18 gr/m3. [22,56]
97
La figura 35 muestra el comportamiento de los volúmenes del volumen de gas
ideal con el obtenido de la reacción:
Tabla 12. Comparación del volumen obtenido en el reactor con el ideal.
Días Volumenreal (L)
VolumenIdeal (L)
0 0 01 0.013636364 0.012167112 0.032727273 0.0297652963 0.044181818 0.0418279634 0.06 0.0577387685 0.076363636 0.0753602356 0.12 0.1188699657 0.136363636 0.1382552458 0.157090909 0.1653890979 0.169090909 0.18740001210 0.196363636 0.22576670311 0.229090909 0.26472279412 0.24 0.27788526513 0.251454545 0.29182525314 0.256363636 0.29980486715 0.294545455 0.34525110216 0.327272727 0.38564289717 0.359454545 0.42409636118 0.370909091 0.43934146419 0.42 0.49652718120 0.430909091 0.51226120521 0.469090909 0.55772776822 0.490909091 0.58510592923 0.496363636 0.59371204924 0.490909091 0.59629613425 0.501818182 0.61203315126 0.507272727 0.62130476627 0.490909091 0.59479826328 0.48 0.57525177829 0.392727273 0.47020380130 0.36 0.427390206
98
Figura 35. Comparación del comportamiento del volumen ideal con el experimental
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 5 10 15 20 25 30 35
Litr
os
Dias
Volumen exp (L)
Volumen Ideal (L)
99
CONCLUSIONES
El uso de las algas del tipo sargazo que se acumulan como residuo en el litoral de
la costa de la playa de Cd. Madero, puede funcionar en la producción de biogás, y
a su vez servir como fuente energética para iluminación o fuente de calor en las
palapas, y a su vez ser la solución que el ayuntamiento de Cd. Madero necesita
para poder limpiar la tan contaminada playa de Miramar.
Considerando que la biomasa marina no se cosecha, no ocupa un espacio, y es
un residuo, puede competir fuertemente con otros tipos de sustratos orgánicos,
pero tiene muchas más ventajas a su favor, siendo la principal, que no
desabastece de alimentos a ningún sector, ya que no forman parte del plan de
alimentación del pueblo mexicano.
Actualmente existen muchos tipos de algas marinas en las playas mexicanas, es
factible hacer un estudio de todas y cada una de ellas con la finalidad de
determinar la que produzca mejores beneficios en función de la eficiencia en la
producción de biogás.
A pesar de que la masa de la biomasa fue mayor de 1 kg, la producción de gas
alcanzo cerca de los 500 ml, estableciendo la posibilidad de instalar en la playa
tanques de mayor proporción para la generación y aprovechamiento de una mayor
cantidad de biogás.
El dimensionamiento de los equipos que se utilizaran en el ciclo del proceso de
producción de biogás en la lámpara se realizara de acorde a las medidas
promedio de una palapa en la playa de Miramar.
México cuenta con un potencial muy alto en materia de recursos energéticos
renovables, resultado de su gran diversidad agrícola y de sus condiciones
climáticas y geográficas, cuyo desarrollo permitiría al país contar con una mayor
diversificación de fuentes de energía.
100
Vale la pena resaltar el potencial bioenergético las algas de sargazo, ya que será
importante en la medida que pueda ser empleado como una fuente de energía
renovable en aquellas zonas cercanas a la playa, brindando autonomía energética
y mejorando el bienestar de los pobladores de las áreas rurales de México.
A pesar que las relación C/N obtenida fue muy baja, la producción del gas produjo
un volumen considerable para ser utilizado.
Este estudio abre el camino a la posibilidad de estudiar en el futuro, el
aprovechamiento del potencia de las algas de sargazo para la producción de
biodisel o bioetanol.
Además, este proyecto a su vez, crea la necesidad de acoplar sistemas de
cromatografía de gases, para conocer la concentración de metano en el gas
producido por la reacción.
Se pudo establecer una aplicación nueva para las algas, desde un punto de vista
que no se conocía, que es la biotecnología en la producción de energía
sustentable.
El cambio en la sociedad comienza con uno mismo, y desde adentro, si no nos
proponemos día a día a ser mejores personas, y demostramos a los demás que
podemos cambiar, nunca lograremos un cambio en el mundo.
La energía es imprescindible para nuestra actual forma de vida; consumir energía
es sinónimo de actividad, de transformación y de progreso, por lo tanto es
necesario emprender acciones para utilizarla correctamente.
101
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