The future of energy: "Biorefineries" to cultivate algae for food and fuel

This article is part of a multimedia series documenting renewable energy initiatives in Chile, "Fueling Cooperation," crafted and assembled by Michelle Stearn for the Fulbright fellowship 2017.

Algae: The buzzword these days around biofuel production. Why is the scientific community flocking around this coveted raw material from the sea? All it needs is CO2 and sunlight to grow, and can be deconstructed into the building blocks for fuel, nutritional supplements, and fertilizer. I visited Dr. Laura Azócar at La Universidad de la Frontera in Temuco, Chile to learn about a new concept: "bio-refineries." This system developed by a university-corporate partnership could be the key to taking advantage of all the miraculous components of algae.
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Laura Azócar: En 2011, se comenzó a trabajar en un consorcio tecnológico, que tenía la finalidad de producir biodiesel a partir de microalgas principalmente.

Michelle Stearn: Acá?

LA: Sí. En Chile hubieron dos proyectos grandes, dos consorcios tecnológicos grandes- con esa finalidad. La producción de biodiesel a partir de microalgas.

MS: Y la otra estaba en Antofagasta, cierto?

LA: No, lo que pasa es que ese es el mismo consorcio, que estaba formado por la Universidad de la Frontera y la Universidad de Antofagasta, y varias empresas. Una termoeléctrica, que era E-CL, Algas Prodalmar, que es una empresa de cultivo de algas, y Molinero Gorbea, que es una empresa que ya había trabajado en producción de biodiesel, pero a partir del aceite canola (de raps).

Bueno, esas cinco instituciones nos juntamos e hicimos este proyecto de la producción de biodiesel de microalgas. Se trabajó varios años en eso. La idea era que en Antofagasta, la Universidad de Antofagasta los investigadores tenía expertis en cultivo de microalgas. Y habían trabajado bastante en ese tema. Habian investigado distintos tipos de cepas nativas—de aguadulce, de agua salada—y aca en la Universidad [de la Frontera] en ingeniería química, acá en BIOREN, había bastante experiencia en procesos. En procesos para producir biocombustibles o algún producto alternativo a partir de residuos o a partir de materias primas alternativas.

Se trabajó bastante en estos temas durante más o menos desde 2010 hasta 2016, aproximadamente.

MS: Seis años entonces.

LA: Mas o menos, sí. En este consorcio que se llamaba Desert BioEnergy.

MS: Sí, lo conozco.

LA: Y resultaron cosas bien interesantes. Por ejemplo, como la Universidad de Antofagasta producía algas, y nos enviaba las microalgas acá, y nosotros las procesábamos. Vimos si podíamos hacer biodiesel, o podíamos hacer biogás, o si podíamos generar otro producto de valor. El tema es que producir solo biodiesel nos resultó a ser bastante poco rentable, poco factible. Porque—a ver si te explico un poco, voy a buscar un lápiz—

MS: Me dijeron que resultó que solo un 5% podían ser utilizado.

LA: Aproximadamente, claro. Y es porque si tu tienes las microalgas [dibujando un diagrama] 100% de microalgas, están compuestas por un porcentaje más o menos dividió en tres de proteínas, de lípidos, y de carbohidratos. Y nosotros para poder hacer biodiesel necesitamos solamente esta fracción: los lípidos. Te fijas?

El problema es que de estos lípidos, no todos podían ser utilizados para hacer biodiesel. Sino que solamente un porcentaje de estos pueden ser utilizados. Porque hay algunos que son—de estos lípidos, o sea que nosotros decíamos—que algunos son transestificables—o sea que sirven para biodiesel. Y otros que son por ejemplo fosfolípidos o otros lípidos que no sirven. Al final de este total [un tercio de la microalga] aproximadamente un 10% se podía ocupar en hacer biodiesel. Pero cuando nosotros lo llevábamos, lo escalamos y había que extraer el aceite y hacer la reacción, al final del total de la microalga, aproximadamente solo un 5% era biodiesel.

Trabajamos en la biorefinería... Pensando en cómo aprovechar al máximo el potencial que tenía la microalga para poder generar distintos productos de valor.
— L.A.

Entonces lo que nosotros hicimos: trabajamos en la biorefinería. No sé si has escuchado de este concepto. Pensando en cómo aprovechar al máximo el potencial que tenía la microalga para poder generar distintos productos de valor. E hicimos la biorefinería.

MS: Sí, porque eso—el resto de la microalga—debe tener algún uso.

LA: Claro, ésta por ejemplo tienen un potencial de alimento bastante interesante. Los lípidos, de hecho, aquí es cuestionable que se ocupen para hacer biodiesel, porque aqui hay algunos lípidos que tienen un valor nutricional relevante también. Las microalgas salinas que tienen omega-3, omega-6...

MS: Claro, me han dicho.

LA: De ese punto de vista, tiene mejores características para producir alimentos que para hacer biodiesel. De hecho cuando uno ocupa un lípido, por ejemplo de un alga que es marina o salina, el problema es que tener mucha omega-3 u omega-6, ese biodiesel se va a degradar muy rápido. Entonces no va a ser un biodiesel de buena calidad.

MS: Se va a degradar?

LA: Sí, porque cuando tiene un lípido con alto omega-3 u omega-6 por ejemplo [dibujando], significa que hay una cadena de carbonos que tiene no solamente un enlace, sino que después puede tener dos enlaces o tres enlaces. Y eso va a hacer que el biodiesel se degrade muy rápido. Y el biodiesel va a ser de mala calidad. Por lo tanto ese lípido es mejor ocuparlo con fines alimenticios.

Entonces, bueno. Pero nosotros teníamos algo de producir. Llegar a alguna conclusión de este compromiso que se había sumido por este consorcio. Y desarrollamos este concepto de biorefinería.

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MS: Y con respecto a la planta que tienen en Antofagasta, como se encuentra?

LA: No está operativa.

MS: Si lo que he visitado, todas las plantas pilotos que he visto [en Chile], todos están dejadas...

LA: Claro, no están operativas.

MS: Me dijeron que tiene que ver con el gobierno y el financiamiento, y cosas asii. Pero igual me interesa tu opinión. ¿Cómo andan las investigaciones en este momento con respecto a todo esto. Porque finalizo, ¿cierto?

LA: El proyecto finalizó.

MS: Y no hay cómo...

LA: No hubo continuidad.

MS: No se dió un camino viable, digamos.

LA: Exactamente, sí. Bueno en eso, yo no creo que sea por falta de financiamiento del gobierno porque los proyectos fueron de real siete mil millones de pesos [chilenos], y yo creo que fue suficiente para ser la investigación básica. El tema es que a estos consorcios después había que dar una continuidad. Y yo creo que mas que sea un tema de microalgas o el tema en particular, esta vinculación entre universidad y empresa—porque trabajamos universidad con empresa—nosotros en Chile estamos en una etapa inicial en un trabajo en conjunto con universidad y empresa. Falta mayor interés por parte del empresario en desarrollar tecnología. Y falta mayor flexibilidad por parte de los investigadores en trabajar con lo empresario. Y yo creo que eso fue lo que nos faltó.

Es fácil cuando tienes el financiamiento estatal a hacer todo este desarrollo, pero cuando había que pasar ya una etapa de inversión, y con mayores confianzas entre universidad y empresa faltó llegar a esa siguiente etapa.
— L.A.

Si fuera de microalgas puede haber sido otro tema, pero quizás hubiera pasado lo mismo. Entonces es fácil cuando tienes el financiamiento estatal a hacer todo este desarrollo, pero cuando había que pasar ya una etapa de inversión, y con mayores confianzas entre universidad y empresa faltó llegar a esa siguiente etapa.

MS: Interesante. Nadie me ha dicho eso.

LA: ¿Nadie?

MS: Todos me dicen, ah, que no siguió el financiamiento, y las empresas, bueno no es que no quisieran seguir sino que no vio ni un lado donde invertir, algo asi.

LA: No, no es así. De hecho eso era el patente que te quería mostrar, que era de este concepto que nosotros desarrollamos que era de biorefinería. Pasó por PCT—un sistema de protección en Europa de propiedad intelectual al nivel mundial—y ahora estamos patentando en Chile en fase nacional. Y nosotros protejimos esto y ahora lo estamos patentando a través de la UFRO y al nivel nacional. Es una forma de generar valor a esta biomasa, aprovechando a todos los componentes que tiene.

MS: Así encontraron algo.

LA: Si encontramos algo. Y fue novedoso y cumple alimentivos, con novedades y por eso se la pudimos proteger en este sistema que te mencione (PCT) a este nivel nacional. Hay que mejorar, hay que hacer muchas cosas pero hay algo—un punto de partida—por donde trabajar.

MS: Y crees que va estar relacionado con la energía o la alimentación, o las dos?

LA: Es con las dos. Por eso es biorefinería. Nosotros lo que planteamos—esto es como un concepto más o menos general—es que teníamos unos métodos para hacer cosechas, y después nosotros hacíamos extracción de proteínas para ocuparlas con fines para producir alimentos. Y después nos iba quedando una biomasa recival que ya no tenia proteínas, y con eso hacíamos biodiesel. Con esa biomasa residual que queda. Y después nos quedaba otro biomasa más recalcitrante, más residuo, y con eso nosotros podríamos producir biogás. Y lo que planteamos también es que despues este biogas—el biogas esta compuesto por metano y por CO2, cierto? esto es la composición del biogas. Pero a nosotros nos interesa eso [indica al metano en el diagrama que dibuja] porque eso nos da el poder calorífico, el CH4 (metano). El CO2 no nos interesa.

MS: Claro. Pero se lo puede meter al sistema?

LA: Exactamente. Entonces nosotros dentro de este mismo sistema planteamos—eso lo hizo un tesista doctorado, de acá del grupo, que ya terminó su tesis—ocupar este hacer una "grading" de biogás, para poder concentrar el metano y de las microalgas pirolysis. Y después se volvía de nuevo al proceso. Y esto a nivel piloto nosotros hicimos esta parte a nivel piloto [indica al diagrama], esto, y esto. Esto no lo hicimos al nivel piloto.

MS: Todavía no.

LA: Pero esto es lo que se instaló en Tocopilla con la empresa partner E-CL. Se implementaron unas plantas pilotos de ese tema.

MS: Ahi en el norte?

LA: En el norte, sí. De esto, de transesterificación húmeda, de producción de biogás, y de cosecha de microalgas. E implementamos las plantas. Después eso quedó en un container allá. Yo el año pasado trate de traerlo pa'aca, porque el container quedó ahí, nadie lo está ocupando, pero esta cosa es tan lenta, por el tema de que el consorcio se estaba liquidando y la UFRO tenía que deber algo, tenia pagar algo al consorcio, como no era accionista del consorcio, entonces la planta está allá. No lo hemos podido traer.

Eso fue un diseño de nosotros. Que la planta nosotros la construimos acá en Temuco. Esa planta de producción....

MS: Y la llevaron?

LA: Y la llevamos allá.

MS: Mucho trabajo.

LA: Es mucho trabajo, no te imaginas la cantidad. Fue muy bonito el trabajo que hicimos, pero yo creo que básicamente fue ese tema, que nos falta experiencia en trabajar entre investigadores y empresarios.

Es mucho trabajo, no te imaginas la cantidad. Fue muy bonito el trabajo que hicimos, pero yo creo que ... nos falta experiencia en trabajar entre investigadores y empresarios.
— L.A.

MS: Si pudiesen hacerlo de nuevo que harían?

LA: Yo creo que lo haría sería prácticamente todo igual pero incluir alguna especia de “coaching” o de entrenamiento para nos enseñaran como hacer este trabajo vinculado. Porque eso es lo que nos falta acá. Desde mi punto de vista.

MS: Y eres/eras la directora de la parte de la UFRO?

LA: Bueno yo no partí de directora, yo partí como investigador de una área. Pero al final terminé encargada de toda la parte UFRO.

MS: Sí, se nota.

LA: Sí, porque fui la única que quedó, todos los demás empezaron a bajarse.

MS: Tenía mucha paciencia entonces.

LA: Es que lo encontraba muy bonito el proyecto.

Hay cosas que hay que investigar todavía por ejemplo acá los rendimientos aca no eran tan buenos, pero de las proteínas si era bien interesante, pero esto era como la parte inicial de todo. Despues habia mucho que investigar en verdad.

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MS: Voy escribiendo y grabando, y el producto final sería un mapa. Donde estén todas las plantas.

LA: Los proyectos?

MS: Sí, porque no hay cómo encontrarlos. Porque la meta antes era llevar todo esto al nivel comunitario. Pero obviamente no vamos a llevar un laboratorio, esas cosas, vamos a llevar a ese nivel que se puede producir en escala más grande... Cosas que están desarrollado, no hay que tener tantapuede ser educación no hay que saber tanto, que ya está hecho. ¿Crees que hay algún lado que se puede llevar a ese nivel?

LA: Como escalarlo a algún... como hacer una producción masiva, dices tú? Es una buena pregunta.

Yo creo que todavía falta un poco de investigación. Yo creo que si trabajamos cinco años quizás habría que trabajar cinco años más y ahí si vamos a tener como resultado ya para poder escalar los procesos. Todavía no está todo listo como para llevarlo del nivel piloto. Yo creo que falta un poco más de investigación.

Yo creo que si trabajamos cinco años quizás habría que trabajar cinco años más y ahí si vamos a tener como resultado ya para poder escalar los procesos.
— L.A.

MS: Sí, debes conocer el proceso de hacer biodiesel a partir de aceite quemado y cosas asi, lo puedes hacer en cualquier lugar, como un garaje o no see que. Lo producimos en Chicago en una oficina asi como esta. Y yo no tengo experiencia en el laboratorio, pero igual puedo hacer el proceso de biodiesel.

LA: Claro, si. El biodiesel de residuos es más fácil de producir. La técnica se ocupa, el método es un poco mas simple. Esto es más complicado. O sea, de hecho yo cuestionaria sinceramente si se puede producir biodiesel de las algas. Quizás van a ver otros combustibles que se van a poder producir y esos van a ser más factible. Por ejemplo nosotros investigamos después con un proyecto FONDEF para producir bio-oil de microalgas, que es otro combustible. Eso se hace por pirólisis.

MS: Igual es muy útil [el bio-oil].

LA: Claro. Entonces esa alternativa parecía bastante... Tenía mejores rendimientos que la producción de biodiesel. Porque la diferencia es que en el bio-oil, no solamente puedes ocupar una de las fracciones de los lípidos para producirlo. Sino que prácticamente toda la biomasa—en el bio-oil ese es la diferencia [dibujando]—tú tienes las microalgas y haces una pirólisis se llama y produce generas tres corrientes: se genera bio-oil, un gas de síntesis (o "sin-gas") y un bio-char. Entonces como esto es un proceso térmico, aca no es que solamente vas a aprovechar de esta parte [los lípidos] sino que toda la microalga con los tres componentes se van a transformar en esto en total: los tres productos. Y uno, de acuerdo de los condiciones que ocupe de la pirólisis, va a maximizar la producción de uno de estes del otro. Entonces nosotros tratamos de producir el mayor porcentaje de esto [bio-oil].

Lo que hicimos fue otro estudio bien interesante. Un poco basando en lo que ya sabíamos de la biorefinería, nosotros hicimos este estudio, pero antes de ocupar las microalga acá, nosotros sacamos las proteínas. Mira, te voy a explicar el porqué. Eso ya fue como una investigación que seguimos acá en la UFRO. Entonces nosotros hicimos la pirólisis de microalgas. Como ya te comenté la microalgas tienen proteínas, cierto? Tienen carbohidratos y tienen los lipidos. Pero el problema de los proteínas—o sea, no un problema, pero una característica—es que tienen harto [mucho] contenido de nitrógeno. Entonces si yo quiero hacer un biocombustible con todo esto, está harto contenido de nitrógeno va a generar un biocombustible también con harto contenido de nitrógeno. Y eso cuando se queme puede ser que favorezca las emisiones de NOX (nitrous oxide)

MS: Que no es bueno.

LA: Que no es bueno. Entonces ¿qué dijimos nosotros? Ah! Pero nosotros sabemos que las proteínas nos pueden servir mejor para otra cosa, como para producir un alimento. Entonces aquí también planteamos una biorefinería pero con pirólisis: otro proceso. Y lo que hicimos fue hacer una extracción de proteína, en un proceso inicial, aparte de la microalga. Y luego hicimos la pirólisis. Entonces aquí tenemos un producto que puede ser un producto de alimento o un biofertilizante; distintos usos. Y con la pirólisis tenemos un biocombustible. Y con ese biocombustible vas a tener una baja cantidad de nitrógeno.

MS: Bonito.

LA: Sí. Ese proyecto lo terminamos el año pasado y si cumplimos la hipótesis de que efectivamente ese biocombustible tiene menos contenido de nitrógeno. Hay un tesis doctorada que está terminando su investigación en esta área. Entonces por eso yo te comentaba que quizás el biodiesel no va a ser el producto que va a generar finalmente de las algas. Pero desarrollando un poco más este concepto de tener un aprovechamiento integral de estos componentes de la microalga, yo creo que se puede llegar a alguna solución. Generando distintos productos de una misma materia prima.

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MS: ¿La planta que tienen ahi, seria posible tenerlo en otro lugar que no tenga tanta sol? O tiene que estar ahí en el norte?

LA: Mira, yo creo que mas o menos de Concepción al norte, sería factible producir microalgas. De hecho hay termoeléctricas en Concepción que han estado interesada en hacer esto por abatir emisiones de CO2. Más al sur es un poco más difícil porque si necesita radiación para crecer.

MS: Y necesitan mucho espacio?

LA: Si, necesita mucho espacio también.

MS: Sí, el otro dia fui a Concepción a ver lo que están haciendo ahí en la U, en el Centro de Biotecnología. Me mostraron la planta que se ve muy similar a eso. Era de bioetanol de biocelulosa. ¿Lo conoces?

LA: No, qué interesante.

MS: Sí, es muy hermoso. Pero igual paró, o sea se detuvo...

LA: Terminó?

MS: Sí, hace un par años. Pero todavía está. Y está muy hermoso, trajeron todo de la Europa y Brasil para construirlo. Y quedaron con muchos productos, bio-oil, bioetanol y más. Pero me dijeron que no se podía integrarlo al sistema porque hay muchos desafíos, digamos. No hay una ley que diga que los biocombustibles son obligatorios.

LA: Claro. Es que yo creo que nos falta un poco, porque quizás nos motivamos muy luego. Porque esto puede ser que tenga proyecciones pero hay que seguir investigando un poco más. Entonces quizás les pasó lo mismo a ellos como bueno, esto no resultó ahora, pero siempre hay que darles otra mirada a las cosas porque... o al menos para quedar la línea base que se quedó, y alguien más adelante la va a tomar, es como se hace la investigación, para generar eso.

MS: Y van compartiendo con otros países?

LA: Sí, la verdad es que sii! Nosotros por ejemplo en esto trabajamos bastante con la Universidad de Almería (España). Con el grupo de Emilio Morinas. En la Universidad de Almería, tuvimos un proyecto de redes de colaboración, un proyecto CONECIT - de colaboración. Y fuimos nosotros a trabajar con ellos allá, ellos vinieron acá, hicimos seminarios, de hecho esto de la biorefinería fue un trabajo en conjunto bastante con ellos.

MS: Bueno saberlo, también, porque da un contexto más amplio.

LA: Claro.

MS: Es como parte de un movimiento mundial.

LA: Exactamente. O sea, eso es la tendencia general, lo que se llegó en este tema de las microalgas porque cuando—lo que pasa es que cuando empezó este tema, había un investigador que publicó un "review"—se llama Chisti—y el dijo que las microalgas podrían tener hasta un 80% de lípidos. Y que se podía hacer biodiesel. Y por eso todos nos pusimos a investigar esto—

Y después, claro, cuando empezamos a escalar esto nos dimos cuenta de que en realidad no era un 80% que era menos, y en realidad de ese menos, no todos se podía ocupar. Entonces empezó a ser como...

MS: Pero igual sirven.

LA: Claro....

La verdad es que ahora investigaciones en biodiesel aca específicamente, no tenemos mucho. Si trabajamos en biocombustibles, sii. Y tenemos en otro laboratorio alla, tenemos el analitico para hacer biodiesel. O sea para caracterizar de acuerdo con la norma. Caracterizamos—nosotros tenemos afiches para medir humedad, cromatografía, todo eso nosotros lo tenemos en Mecánica. No sé si te interesa verlo...