“DISEÑO A ESCALA PILOTO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITES A PARTIR DE MICROALGAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES”

UNIVERSIDAD INTERNACIONAL SEK
FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES
Trabajo de Fin de Carrera Titulado:
“DISEÑO A ESCALA PILOTO DEL PROCESO DE
EXTRACCIÓN DE ACEITES A PARTIR DE MICROALGAS
PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES”
Realizado por:
JENNY ECHEERRIA SERRANO
Director del proyecto:
Ing. MBA. Rodolfo Rubio
Como requisito para la obtención del título de:
INGENIERA QUÍMICA INDUSTRIAL
Quito, 4 de Agosto de 2017
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DECLARACION JURAMENTADA
Yo, JENNY ECHEVERRIA SERRANO, con cédula de identidad # 172627812-8, declaro bajo
juramento que el trabajo aquí desarrollado es de mi autoría, que no ha sido previamente
presentado para ningún grado a calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración, cedo mis
derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la UNIVERSIDAD
INTERNACIONAL SEK, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
reglamento y por la normativa institucional vigente.
FIRMA Y CÉDULA
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DECLARATORIA
El presente trabajo de investigación titulado:
“DISEÑO A ESCALA PILOTO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITES A
PARTIR DE MICROALGAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES”
Realizado por:
CRISTINA ECHEVERRIA SERRANO
como Requisito para la Obtención del Título de:
INGENIERA QUÍMICA INDUSTRIAL
ha sido dirigido por el profesor
RODOLFO RUBIO AGUIAR
quien considera que constituye un trabajo original de su autor
FIRMA
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LOS PROFESORES INFORMANTES
Los Profesores Informantes:
WALBERTO GALLEGOS
JOHANNA MEDRANO
Después de revisar el trabajo presentado,
lo han calificado como apto para su defensa oral ante
el tribunal examinador
FIRMA
FIRMA
Quito, 4 de Agosto de 2017
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AGRADECIMIENTO
A Dios, por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste realidad este sueño
anhelado, gracias a mi familia por poyarme en cada decisión y permitirme cumplir con
excelencia mi carrera. Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional
a las que me encantaría agradecerles por su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía.
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“DISEÑO A ESCALA PILOTO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITES A
PARTIR DE MICROALGAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES”
Pilot scale design of oil extraction process from microalgae for biofuel production.
Jenny Echeverría Serrano, Rodolfo Rubio Aguiar*
Facultad de Ciencias Naturales y Ambientales. Universidad Internacional SEK Ecuador
RESUMEN
En la actualidad, los altos precios de los combustibles, los graves prejuicios ambientales
provocados por su utilización, han motivado el interés por los biocombustibles como
alternativas energéticas a los combustibles fósiles. Entre las alternativas como fuente de energía
se encuentran las microalgas. Se ha demostrado que la biomasa de las microalgas puede
proporcionar diversos productos ricos en energía, estos incluyen los biocombustibles derivados
de aceite de microalgas. En la producción de biocombustibles a partir de microalgas, la etapa
de concentración, disrupción celular y extracción de lípidos son importantes para la obtención
del aceite de microalgas. En este trabajo se utilizarón consorcios de microalgas a los cuales se
les aplicaron los métodos de floculación y centrifugación para la concentración, el método de
sonicación para romper la pared celular y finalmente extraer el aceite utilizando, solventes
químicos. Los resultados más importantes fueron: tipo de floculante y dosis, tiempo de
operación, balance de masa y eficiencia de los procesos. Estos resultados se usaron para el
diseñó a escala piloto de la planta de extracción de aceite de microalgas que resulto tener las
siguientes características: la eficiencia de recuperación (clarificación 98,4 %, centrifugación
99,9 %, sonicación 84,44 % y extracción 41 %), la cantidad de energía que necesita la planta
de extracción de aceite es de 13,71 kWh de potencia, el costo de energía es de 13495,97 $/año
y el costo de capital es de 15918 $.
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PALABRAS CLAVE: extracción, aceite de microalgas, biocombustibles, biomasa, planta
piloto.
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ABSTRACT
At present, high fuel prices, serious environmental problems caused by their use, have
motivated the interest in biofuels as an energy alternative to fossil fuels. Among the alternatives
as an energy source are microalgae. It has been demonstrated that the biomass of microalgae
can provide various energy-rich products, these include biofuels derived from microalgae oil.
In the production of biofuels from microalgae, the stage of concentration, cell disruption and
lipid extraction are important for the production of microalgae oil. In this work, microalgae
consortia were used to apply flocculation and centrifugation methods to concentrate the
sonication method to break the cell wall and finally extract the oil using chemical solvents. The
most important results were: flocculant type and dosage, operating time, mass balance and
process efficiency. These results were used for the pilot scale design of the microalgae oil
extraction plant, which resulted in the following characteristics: recovery efficiency
(clarification 98.4 %, 99.9 % centrifugation, sonication 84.44 % and extraction 41 %), the
amount of energy needed by the plant is 13.71 kWh of power, the energy costs is 13495.97 $ /
year and the cost of capital is $ 15918.
KEY WORDS: extraction, oil microalgae, biofuels, biomass, pilot plant.
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INTRODUCCIÓN
La situación actual debido al agotamiento de los combustibles fósiles, la variación del
precio y las dificultades ambientales causadas por los gases de efecto invernadero, demandan
urgentemente fuentes alternativas de energía basadas en procesos sustentables y con fuentes
renovables. Una alternativa promisoria que ha resultado muy atractiva en los últimos años son
los biocombustibles producido principalmente a partir de aceites provenientes de plantas
oleaginosas (Brennan & Owende, 2010).
El uso de microalgas para la producción de biocombustibles es una alternativa ventajosa,
debido al elevado contenido de lípidos, su elevada eficiencia fotosintética, su capacidad de
crecer tanto en aguas marinas, dulces, residuales y salobres, así como su velocidad de
crecimiento. No se requiere de suelo fértil ni agua de calidad, por lo tanto, no compite con otras
actividades agrícolas y captura el CO2 de la atmósfera (Christi, 2007). Los principales
problemas que hay en los procesos de obtención de aceite a partir de la biomasa de microalgas,
son la concentración de biomasa, el rompimiento celular y la extracción de lípidos, etapas que
plantean importantes desafíos.
Los cultivos de microalgas, incluso en sus estados más avanzados de crecimiento, son
suspensiones celulares muy dispersas y estables, en las que la concentración de microalgas está
entre un 0,2 – 5 g/L (Brennan & Owende, 2010), por lo cual se requiere retirar grandes
volúmenes de agua, sin que haya daño celular o contaminación de la biomasa. Aunque no existe
un método de concentración de microalgas efectivo, este puede implicar uno o varios procesos
para realizar la separación sólida – liquida deseada (Chen et al, 2011). Los métodos
convencionales empleados actualmente para cosechar microalgas recurren a la centrifugación
(Knuckey et al., 2006), flotación (Gao et al., 2010), filtración y ultrafiltración (Danguah et al.,
2012), a veces con un paso intermedio de floculación (Divakaran & Sivasankara, 2002). Estos
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procesos representan entre 20 y 30 % de los costos totales de producción de biomasa,
representando un factor importante en la viabilidad económica para la elaboración de
biocombustibles a partir de microalgas (Molina et al., 2003).
Para la producción de biocombustibles, los lípidos y los ácidos grasos tienen que ser
extraídos de la biomasa de microalgas. Un proceso convencional es la extracción de aceite con
solvente, hecha directamente a la biomasa seca. Se pueden emplear solventes como el hexano,
etanol, o una mezcla hexano-etanol y aunque la extracción con estos solventes es buena,
también extrae algunos componentes celulares como: azúcares, aminoácidos, sales, proteínas y
pigmentos; que no son deseables si el objetivo de la extracción son los lípidos, además los
solventes son tóxicos, inflamables y volátiles.
Existen otros métodos de extracción no convencionales que en la actualidad están siendo
estudiados, como el ultrasonido y las microondas (Bosma et al., 2003), que comparando con
los métodos convencionales, indican que pueden mejorar enormemente la extracción de aceite
con una eficiencia más alta, disminuyendo los tiempos de extracción y aumentado la producción
entre 50 y 500 % con costos bajos o moderados, además la toxicidad es mínima, pero las
ventajas dependen de las características de las microalgas, como tamaño, densidad y el valor de
los productos a obtener.
El presente proyecto de la obtención de biocombustibles, ha enfocado sus líneas de
investigación hacia los biocombustibles de tercera generación, buscando, insumos y
procedimientos que hagan la producción más social, amigable con el medio ambiente y
económicamente viable.
El objetivo principal de este trabajo es el diseño a escala piloto del proceso de extracción
de aceites a partir de microalgas para la obtención de biocombustibles, con el fin de obtener un
proceso eficaz y eficiente para competir con los combustibles fósiles actuales. Además, los
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resultados obtenidos brindarán un aporte necesario en el conocimiento de las tecnologías para
la concentración de biomasa, destrucción celular, extracción de aceite y la viabilidad del
proceso.
Biocombustibles de tercera generación
Son combustibles que se producen a partir de materias primas como residuos (tallos,
hojas, cascarillas) y las microalgas que no son fuentes alimenticias, para lo cual se utilizan
tecnologías que todavía están en etapas de investigación y desarrollo, con costos de producción
aún muy elevados, e inclusive se cultivan en terrenos no agrícolas.
Se piensa que los combustibles de tercera generación serán una alternativa muy efectiva
para reemplazar a los combustibles fósiles, debido a que no utilizan cultivos alimenticios y
además ayudan a combatir el calentamiento global. Estos biocombustibles no necesariamente
requieren de fertilizantes, pesticidas, agua o terrenos para ser producidos, disponen de una
mayor variedad de materias primas, no generan competencia con la industria alimenticia y en
algunos casos, podrán servir para recuperar terrenos erosionados en laderas o zonas
desertificadas.
Microalgas
Las microalgas son organismos autótrofos unicelulares con un tamaño promedio de 550 micras, estos organismos convierten la energía lumínica del sol en energía química mediante
el proceso de fotosíntesis (Andersen, 2005). Las microalgas se localizan en hábitats diversos
tales como aguas marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de
temperaturas, pH y disponibilidad de nutrientes; se les considera responsables de la producción
del 50 % del oxígeno y de la fijación del 50 % del carbono en el planeta (Mata et al., 2010).
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Las microalgas en base húmeda tienen un porcentaje de humedad cercano al 92 % y
están compuestos principalmente por carbohidratos, proteínas y lípidos de los que se pueden
extraer varios productos que pueden ser utilizados en el sector farmacéutico, cosmético,
alimenticio y en el sector energético como biocombustibles (Colorado et al., 2005).
Las microalgas generan su biomasa a través de la fotosíntesis, que es el proceso
mediante el cual algunos organismos transforman la luz solar en otra forma de energía
aprovechables por todos los organismos usando la luz solar para crear biomasa a partir de CO2
y agua. Entre otros organismos fotosintéticos están las plantas, las algas y cianobacterias.
En los últimos años ha habido un interés creciente en investigar la potencialidad de
producir biocombustibles a partir de cultivos de microalgas. El elevado contenido en lípidos de
las microalgas las convierte en una alternativa a los cultivos energéticos terrestres para la
producción de biocombustibles, salvando el obstáculo de la competencia con los alimentos por
el terreno cultivable. Los cultivos de microalgas pueden producir una cantidad de aceites por
hectárea veinte veces superior a la de los cultivos oleaginosos como la soja (Christenson, 2011).
Características del aceite de Microalgas
Dependiendo de las especies, las microalgas producen lípidos y otros aceites complejos,
de los cuales no todos son adecuados para la producción de biocombustibles. La cantidad total
de lípidos, así como la tipología de los ácidos grasos presentes, además de ser específica para
cada especie, está ligada a factores ambientales como la intensidad luminosa, pH, salinidad,
temperatura, concentración de nitrógeno y otros nutrientes en el medio de cultivo.
Producción de aceite de microalgas
Desde hace más de veinte años se han venido realizando investigaciones para obtener
biocombustibles a partir de aceite microalgal (Nagle y Lemke, 1990), en la última década este
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tema ha ganado mucha fuerza, especialmente en el sector privado y académico. En el entorno
de laboratorio, investigadores de todo el mundo han demostrado el potencial de varias especies
de microalgas como materia prima para producir biodiesel, se destaca el trabajo financiado por
el Departamento de Energía de los Estados Unidos, sobre especies acuáticas (NREL) con el
objetivo de producir biodiesel a partir de aceite de microalgas cultivadas en estanques,
utilizando como fuente de carbono el CO2 liberado en centrales termoeléctricas. En dicha
investigación se lograron avances importantes en la manipulación del metabolismo de las algas
y en la ingeniería de los sistemas de producción (Sheehan et al., 1998). Estos y otros resultados
han despertado el interés de algunas compañías por invertir en la búsqueda de estrategias de
cultivo de especies de microalgas denominadas oleaginosas para producir biocombustibles para
diferentes usos. Estas empresas se encuentran ubicadas en Estados Unidos, Europa y el resto
del mundo (Singh y Gu, 2010).
Procesos de producción de aceite de microalgas
El proceso de producción de aceite a partir de microalgas, se inicia con el cultivo de la
cepa para la obtención de biomasa con alta productividad de lípidos, seguido de la
concentración de la biomasa, disrupción celular y posterior extracción de los lípidos para
finalmente obtención de biocombustibles por una reacción de transesterificación, de forma
similar a como se produce a partir de cualquier aceite vegetal (Mata et al., 2010).
Etapas del proceso para la extracción de aceite a partir de microalgas
Concentración de la biomasa
La técnica de recolección de microalgas depende principalmente de la densidad celular
(típicamente baja y dispersa entre 0.3-5 g/L), del tamaño de la célula (típicamente entre 2-40
mm) y del valor de los productos. A continuación, se describen los métodos más utilizados para
la concentración de microalgas:
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Filtración
Es una técnica sencilla y consiste en tres tipos: filtración al vacío, filtración a presión,
filtración a gravedad. Es el método más apropiado para la recolección de microalgas grandes
(> 70 um), como la Coelastrum y la Spirulina. No se puede utilizar para las especies de algas
de dimensiones bacterianas (< 30 um) como Scenedesmus, Dunaliella y Chlorella. El coste de
microtamices es bajo para microalgas de tamaño grande; sin embargo, la desventaja que
presenta este sistema es la obstrucción de filtros, formación de tortas de filtración comprensibles
y altos costos de mantenimiento (Molina et al., 2003).
Centrifugación
Es un proceso rápido y eficaz, aunque de gran consumo energético, la recuperación de
la biomasa depende de las características de sedimentación de las células (Bosma et al., 2003).
Las tecnologías de centrifugación deben considerar inversiones iniciales de capital alto, costos
de operación y el procesamiento de grandes cantidades de agua y algas. Al utilizar la
centrifugación como método de separación o concentración se puede pasar de una suspensión
de 10 a 20 g/L de microalga a una pasta de 100 a 200 g/L de microalga (Molina, et al., 2003).
Experimentalmente se ha determinado que después de este proceso el agua de salida
tiene de 0,04 a 0,07 % de sólidos suspendidos, para hacerlo factible este proceso se podría
aplicar después del proceso de sedimentación (Pragya Pandey y Sahoo, 2012).
Floculación y sedimentación por gravedad
La sedimentación por gravedad es la técnica más común para el aprovechamiento de la
biomasa de algas, especialmente en el tratamiento de aguas residuales, debido a los grandes
volúmenes tratados y al bajo valor de la biomasa. La sedimentación por gravedad depende
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principalmente de la densidad y el tamaño de las microalgas, por esto, el método es más
adecuado para microalgas grandes (tamaño >70 um) (Muñoz & Guieysse, 2006).
A fin de aumentar la eficiencia de la recuperación de microalgas por sedimentación,
especialmente para especies de microalgas, se añade un floculante a la mezcla; con el fin de
aglomerar las partículas. La floculación es por ahora, el método más aceptado. Los floculantes
más comunes son polivalentes, como el cloruro férrico, el sulfato de aluminio y el sulfato
férrico, también se han estudiado floculantes como la celulosa, las poliacrilamidas, los
surfactantes, y el quitosano (Molina et al., 2003).
El sistema de floculación es aplicable ya que requiere de equipos simples de fácil
operación y mantenimiento, además los costos de operación para la obtención de biomasa son
relativamente bajos con respecto a los otros sistemas de concentración, también permite el
manejo de grandes volúmenes (Palomino et al., 2010). El sistema de concentración que presenta
bajos costos es la floculación química de forma hidráulica usando floculantes (Peralta et al.,
2012).
Figura 1. Sistema de floculación química
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Flotación
Es un método físico-químico que concentra partículas suspendidas en el agua, mediante
la inyección de aire se separa las partículas natural o artificialmente hidrofóbicas. Este es un
sistema más efectivo que la sedimentación por gravedad ya que las microalgas a procesar
pueden tener tamaños de partícula a 500 um, sin embargo este sistema puede ser relativamente
costoso (Gaitero et al., 2012).
Electroforesis
Es una técnica en la que se da la separación de las moléculas según la distinta movilidad
de estas a un campo electromagnético. La separación puede efectuarse sobre la superficie
hidratada de un soporte solido o a través de una matriz porosa (Gaitero et al., 2012). El
hidrogeno generado por la electrolisis del agua se adhiere a los flóculos de las microalgas
arrastrándolos a la superficie para después ser recolectados. La ventaja de este método es que
es versátil, seguro y selectivo, la desventaja consiste en el ensuciamiento de los cátodos y el
daño del sistema por las altas temperaturas (Pragya Pandey y Sahoo, 2012).
Disrupción celular
Para la producción de biocombustibles se requiere de la liberación de los lípidos de su
posición intracelular. Después de la cosecha de las microalgas, la obtención del aceite
dependerá tanto del método como del dispositivo empleado para la destrucción celular, con el
fin de lograr una extracción eficiente y evitar así, el uso de grandes cantidades de solventes
orgánicos (Amaro et al., 2011). Entre los métodos más usados están:
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Microondas
Las microondas, rompen células por el choque inducido con ondas de alta frecuencia,
afectando la polaridad de las moléculas que componen la estructura de la microalga creando
por ejemplo fricción entre los lípidos y las proteínas, e incluso generando más calor, lo cual
hace que se debilite la pared celular. La extracción de lípidos asistida por microondas se
caracteriza por ser una técnica que disminuye el tiempo y los volúmenes de solventes y aumenta
la eficiencia del proceso. Este método se lo puede hacer tanto en húmedo como en seco, este
sistema de extracción se ha probado para la extracción de aceite de soya, salvado de arroz
obteniéndose una recuperación del 95 % de aceite (Mercer y Armenta, 2011).
Ultrasonido
La técnica de ultrasonido consiste en la interacción de ondas acústicas, a una frecuencia
determinada con células microbianas, como las microalgas. Estas ondas rompen la pared celular
debido a un efecto de cavitación. La utilización de ondas acústicas para la destrucción de la
pared celular y precipitación de la microalga Porphyridium sp. fué estudiada por (Faerman et
al., 2002), quienes demostraron experimentalmente que la aplicación de ultrasonido a baja
frecuencia (20-40 KHz) con tiempos de aplicación de 5 a 15 min, causa una fuerte destrucción
celular, incluso mayor que cuando se aplican ondas de alta frecuencia (1-30 MHz), y que la
precipitación de las microalgas dependen del tiempo de exposición a las ondas y de la
concentración inicial de ellas. (Cravott et al., 2008) utilizando microalgas marinas y gérmen de
soya, desarrollaron una técnica de extracción con ultrasonido, asistida por microondas
simultáneamente, trabajando a frecuencias entre 19 y 300 kHz.
Destrucción mecánica
La destrucción mecánica como herramienta de extracción de componentes de
microalgas, abarca varias clases de dispositivos mecánicos como: homogenizadores celulares,
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molinos de bolas y sistemas de prensado. Los métodos de destrucción mecánica poseen una
desventaja en la recuperación del aceite, por ser una técnica que destruye la pared celular,
liberando además de los lípidos, otras sustancias presentes dentro de la célula, sin necesidad de
utilizar altas temperaturas y presiones. Estos métodos son utilizados en combinación con
métodos de extracción con solvente químico (Lee et al., 2010).
Autoclave
Este método se parece a la técnica que se aplica con fluidos supercríticos (SWE) y
consiste en someter a la biomasa húmeda a condiciones de presión elevadas y altas temperaturas
del agua. Este método es considerado como un pretratamiento ya que posteriormente se debe
adicionar solventes para tener una mejor eficiencia de extracción. Se ha realizado pruebas donde
las condiciones de autoclavado varían alrededor 300 °C, 100 MPa y tiempos de operación entre
5 y 60 min (Minowa et al., 1995).
Choque osmótico
Consiste en una reducción repentina de la presión osmótica, haciendo que, por ósmosis,
el agua ingrese repentinamente a la célula, incrementando la presión interna para causar la
ruptura. Es un método relativamente fácil de emplear, aunque se recomienda utilizarlo
solamente en células debilitadas (Geciova et al., 2002).
Extracción de aceite
Los métodos de laboratorio empleados para la cuantificación de lípidos totales, se basan
en procesos de extracción con solventes orgánicos. El escalamiento de estos procedimientos
(como la extracción Soxhlet), requiere conocer en detalle el comportamiento de las variables
que afectan la operación, siendo un área que requiere investigación.
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Métodos químicos
Es un método no mecánico porque la extracción de aceite se lo hace mediante el uso de
solventes, en este método la biomasa puede encontrarse totalmente seca o parcialmente
húmeda; sin embargo al procesar biomasa seca el rendimiento de aceite obtenido es más alto
(Gonzales et al., 2009).
Los solventes que se pueden usar son el benceno, ciclohexano, hexano, acetona,
cloroformo pero entre los más usados están el hexano, el etanol y metanol, combinados ya que
pueden extraer hasta el 98 % de lípidos contenidos en la biomasa; sin embargo la selectividad
del etanol es baja por lo que en el aceite extraído también pueden aparecer componentes como
azucares, pigmentos y aminoácidos (Gonzales et al., 2009). Dentro de este tipo de extracción
se tienen los métodos:
Método de Folch y Bligh &Dyer
El método (Folch et al., 1957) para la extracción es realizada por solventes como el
cloroformo en combinación de metanol en una relación 2:1 respectivamente, con este método
se extrae los lípidos polares y no polares ya que mediante el solvente apolar se disuelven los
lípidos neutros y con el solvente relativamente polar se disuelven los lípidos polares (Gonzales
et al., 2009).
El método Bligh & Dyer es la modificación del anterior y consiste en la homogenización
del anterior a alta velocidad de la biomasa con una mezcla de metanol cloroformo 2:1, seguido
se agrega una parte de cloroformo y después se agrega una parte de agua para finalmente filtrar,
centrifugar y evaporar el cloroformo. Este método se utiliza como complemento de los métodos
de destrucción mecánica o de autoclavado (Gonzales et al., 2009).
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Método de extracción Soxhlet
Se usan varios solventes como el éter de petróleo, hexano, la mezcla de diclorometano
y hexano, la combinación de diclorometano y metanol, siendo el último, eficiente para la
recuperación de lípidos neutrales. La ventaja de este método es poder llevarlo a escala industrial
(Gonzales et al., 2009). Una de las principales desventajas del método químico es que al usar
solventes lo hace un método no amigable con el medioambiente, además de que se requiere de
grandes volúmenes y la recuperación del mismo es costosa (Harun et al., 2013).
Extracción enzimática
En la extracción enzimática se degrada la pared celular de las microalgas mediante el
empleo de enzimas. Esto facilita la salida de los aceites presentes en la célula para su posterior
transformación en biodiesel, estas enzimas, también pueden ser utilizadas para transformar los
ácidos grasos presentes en las microalgas, en lípidos aptos para su posterior transesterificación.
Sin embargo, la actividad enzimática se ve afectada por muchas variables, como la naturaleza
de la enzima, las concentraciones y las relaciones entre los reactantes, la composición de los
aceites o mezclas de ácidos grasos, la composición de la pared celular, el contenido inicial de
agua y la temperatura. El costo de tratamiento con enzimas es alto, incluso se considera más
costoso que el método por extracción con solvente y su aplicación a gran escala es limitada
(Geciova et al., 2002).
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MATERIALES Y MÉTODOS
El trabajo de investigación se realizó mediante cuatro etapas, que incluyen el estudio
bibliográfico y selección de los procesos de extracción de aceite de microalgas como se muestra
en la figura 2, con el objeto de establecer un diseño a escala piloto del proceso de extracción de
aceite de microalgas; luego, con los datos obtenidos de los ensayos en el laboratorio se realizó
el balance de masa, en donde se determinó el dimensionamiento y se hizo la selección de los
equipos de acuerdo a la capacidad requerida y tiempo de operación. Una vez seleccionado los
equipos se calculó la cantidad de energía necesaria para el proceso de extracción de aceite de
microalgas, se calculó la eficiencia de recuperación y pureza para finalmente, evaluar el costo
de energía y el costo de capital.
El nivel de estudio es de carácter exploratorio y experimental ya que busca establecer y detallar
el procedimiento para lograr obtener un proceso eficiente, con resultados semejantes a una
planta real.
Figura 2. Selección de los procesos a seguir para la extracción de aceite a partir de microalgas
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Análisis del proceso de extracción de aceite
Para comenzar se analizarón los métodos utilizados en la extracción de aceite para seleccionar
de acuerdo a la eficiencia, características de las microalgas, y aplicabilidad a escala piloto. Los
procesos más eficientes fueron los siguientes: para la concentración de la biomasa se seleccionó
el método de floculación y centrifugación, se realizó ensayos en el laboratorio para determinar
tipo de floculante, dosis y tiempo de sedimentación o clarificación. Otro método es la
centrifugación para concentrar la biomasa ya que el método anterior, no se pudo eliminar toda
la cantidad de agua que contiene el consorcio de microalgas, en este proceso se realizó ensayos
en el laboratorio para determinar el tiempo de operación de la centrifuga. La biomasa
concentrada producto de la centrifugación se sometió a un proceso de sonicación para romper
la pared celular, para este proceso se realizó ensayos en el laboratorio para determinar la
frecuencia, amplitud y tiempo de operación del equipo. Como método final se realizó la
extracción de aceite, en este método se tomó como referencia bibliográfica la relación de
solvente cloroformo:metanol (1:2:0:8) y el tiempo de extracción de 8 horas propuesta por (Bligh
y Dyer, 1959).
Los resultados obtenidos experimentalmente se utilizarón para el diseño de la planta a escala
piloto para capacidad de 60000 mL por hora. El diseño (PFD) de la planta cuenta con el detalle
de los equipos, tuberías y el tipo de material. La figura 3, presenta un diagrama de bloques de
la metodología a seguir. Las muestras de consorcio de microalgas para los ensayos, fueron
tomadas de un fotobiorreactor construido a escala piloto en la Universidad Internacional Sek
por (Coral, 2017), para el cultivo de microalgas.
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Consorcio de Microalgas
Concentración de la
biomasa
Disrupción Celular
Extracción de aceite
Clarificación
Centrifugación
Sonicación
Cámara extractora
Prueba de jarras
Cámara de
Neubauer
Cámara de
Neubauer
Condiciones de
operación
Prueba de
sedimentación
Balance de masa
Balance de masa
Selección de la
centrifuga
Selección del
sonicador
Balance de masa
Balance de masa
Selección de la
cámara extractora
Diseño del
clarificador
Balance de energía para determinarla eficiencia, rendimiento y evaluar
económicamente el proceso
Diagrama de flujo de procesos (PFD) de la
planta a escala piloto de extracción de aceite
Figura 3. Diagrama general de la metodología seguida en el proyecto.

Proceso de clarificación
El proceso de clarificación del consorcio de microalgas requirió la determinación de parámetros
característicos tales como: pH, turbidez, entre otros mediante métodos de análisis
gravimétricos, volumétricos y físico-químicos realizados mediante (Standart Methods, 2012).
Prueba de jarras (Jar test)
Se realizaron ensayos con diferentes floculantes de origen natural y sintético como se muestra
la tabla 1, utilizados en el proceso de coagulación-floculación a través de pruebas de jarras de
la normativa (ASTM, 2013). Se evaluó eficiencia y mecanismos empleados en el proceso de
remoción de partículas suspendidas y coloidales (turbidez). Se compararón los resultados de las
pruebas de jarras, con la finalidad de encontrar el floculante o producto químico más óptimo
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que ayude a concentrar el consorcio de microalgas para la obtención de biomasa húmeda. La
metodología aplicada fue de tipo experimental y comparativa.
Tabla 1. Floculantes utilizados en la prueba
Floculantes
Policloruro de Aluminio (PAC)
L-2627
L-1544
El procedimiento para encontrar el floculante más óptimo fue, medir el pH y turbiedad de las
muestras de consorcio de microalgas para ajustarlo previamente con ácido clorhídrico al 15 %
v/v. El ajuste del pH del consorcio de microalgas es importante para la formación de flóculos,
es un proceso previo simple y eficaz para la recuperación de la biomasa. Se colocaron los vasos
en el equipo de jarras mecánico provisto de aspas y se ajustó a 20 rpm por 10 min para que la
muestra se homogenice.
Luego, se agregó el floculante en las dosis definidas, se agitó a 100 rpm por 5 min y luego se
disminuyó la velocidad a 40 rpm por 10 min hasta la formación de flóculos.
Al terminar esta fase de floculación, se dejó reposar por 5 min y se determinó pH, turbidez del
sobrenadante, sólidos suspendidos, para así elegir el tipo y la concentración de floculante más
adecuado para la sedimentación (concentración) de la biomasa.
Prueba de sedimentación
Se aplicó la prueba de sedimentación para obtener el tiempo de sedimentación, el ensayo se
realizó en una probeta graduada de 1000 mL, llena de muestra de consorcio de microalgas
homogenizada para una rápida distribución de sólidos. El consorcio de biomasa obtenido del
fotobiorreactor sedimentó como una sábana con interfase bien definida. Se anotarón y
registrarón los datos de los niveles de agua vs tiempo (min) para construir la curva de
25
sedimentación. Con el balance de masa y los datos obtenidos de las condiciones de operación
se procederá a la selección de equipo.

Proceso de centrifugación
Se seleccionó la centrifugación como segundo método para la concentración de la biomasa, ya
que en el primer proceso se logró eliminar la mayor cantidad de agua. Con base en el marco
teórico de esta misma investigación, se seleccionó este proceso como alternativa viable para su
implementación a escala piloto y porque es el método que reporta mayor rendimiento en la
concentración de la biomasa (Lee, et al., 2010).
Se utilizó para el ensayo, una centrifuga marca CLAY ADAMS, modelo COMPACT II, con
una máxima velocidad de 3000 rpm. La muestra que se utilizó fue biomasa húmeda producto
de la prueba de jarras (Halim et al., 2012). Se tomó muestras a intervalos de tiempo para
determinar la densidad celular.

Proceso de sonicación
Se utilizó la sonicación para el rompimiento de la pared celular de las microalgas, con el fin de
acceder a los lípidos de su posición intracelular. Con base en el marco teórico de esta misma
investigación, se seleccionó el método de sonicación, como alternativa viable para su
implementación a escala piloto y porque es el método que reporta mayor rendimiento de
extracción de aceite (Lee, et al., 2010).
Para el proceso de destrucción celular vía ultrasónica, se utilizó un equipo Ultrasonic Processor,
modelo GEX 130, con una potencia de 130 W y una frecuencia de 20 kHz. Las condiciones
para llevar a cabo el proceso de destrucción celular, se determinó así: la humedad de la biomasa
de microalgas, se estableció entre 77 y 83 %, ya que es la humedad final promedio luego de
finalizar los procesos de concentración (Halim et al., 2012).
26
Recuento celular mediante la Cámara de Neubauer
Con este ensayó se determinó el tiempo de operación de los equipos. La prueba consistió en
tomar muestras previamente homogenizadas del sobrenadante de la biomasa después de la
centrifugación y sonicación a intervalos de tiempo. Mediante la cámara de Neubauer se realizó
un conteo de la cantidad de células que se encontrarón en el sobrenadante hasta llegar a una
cantidad mínima de células (Bastidas, 2011). Se calculó la eficiencia a la que se llegó en
tiempos establecidos para seleccionar la mayor eficiencia y conocer el tiempo de operación.
Figura 4 Rejilla de una cámara de Neubauer
Se calculó mediante las ecuaciones (Bastidas, 2011):
Ecuación 1
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
𝑁° 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎𝑠
× 10000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 0,04 𝑚𝑚2
La eficiencia de los procesos se determinó mediante la Ecuación:
Ecuación 2
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
× 100
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
Donde:
N° de células final: es la el agua que se separa después del proceso o sobrenadante.
27

Proceso de extracción
Para la extracción del aceite de microalgas se utilizaron solventes químicos, ya que es el método
más utilizado a nivel industrial debido a que facilita la salida de los lípidos que se encuentran
en el interior de las células.
Una vez finalizado el proceso de destrucción celular con el método anterior, se extrajeron los
lípidos totales según datos experimentales mezclando la biomasa con el sistema de solventes
cloroformo:metanol. Se determinó la humedad de la muestra para mantener la relación de
cloroformo, metanol y agua. Las relaciones de solvente recomendadas son (1:2:0:8), es
indispensable que la húmedad de la muestra sea alrededor del 80 % (Bligh & Dyer, 1959).
Entonces la cantidad de solvente cloroformo:metanol (1:2) a utilizar fue de 30 mL por cada 10
g de biomasa según datos experimentales. En un embudo de decantación se separó la fase
orgánica de la fase acuosa. Los lípidos se recuperaron evaporando el solvente a 60 °C. El lípido
obtenido se pesó usando una balanza analítica. Para la extracción de aceite de microalgas, se
utilizó un equipo Soxhlet. Con los datos obtenidos se seleccionó la cámara extractora.
Balances de masa de la planta de extracción de aceite
Para la elaboración de este punto, los datos se basan en los ensayos de laboratorio. Es importante
mencionar que los resultados obtenidos en esta etapa, sirvierón como datos para el diseño y
selección de los equipos.
Para realizar los balances respectivos del proceso, se tomó como base inicial la cantidad de
60000 mL por hora de consorcio de microalgas como base de cálculo. Para iniciar el balance
de cada etapa del proceso se utilizó la ecuación general de conservación que es la siguiente:
28
Ecuación 3. Ecuación general de la conservación
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 +
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Una vez expuesta la Ecuación 3, se tiene que saber que para el proceso de extracción de aceite
de microalgas se desprecian los valores de generación y consumo, porque no hay reacción
química. Una vez aplicado lo anteriormente mencionado se llega a la siguiente Ecuación:
Ecuación 4
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Hay que tener en cuenta la Ecuación 4, ya que con esta se trabajó para desarrollar los balances
en este tipo de procesos. Como es estado estacionario, no hay acumulación ya que lo que entra
es iguala lo que sale, entonces la ecuación general seria:
Ecuación 5
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Obtenida la Ecuación 5, se asumieron que existen dos flujos de entrada A y B; además dos
flujos de salida C y D. Entonces nuestra ecuación quedaría:
Ecuación 6
𝐴+𝐵 =𝐶+𝐷
A partir de la Ecuación 6, se suman los dos flujos de entrada del sistema y se obtiene un flujo
total de entrada que es flujo E, además se sabe que la suma de los flujos de salida debe ser igual
al flujo E.
Ecuación 7
𝐸 =𝐶+𝐷
Se conoce que los flujos de salida es la multiplicación del flujo total de ingreso por el porcentaje
que sale en cada uno de los flujos. En el caso de la Ecuación 8, se reemplazan los flujos de
salida con lo anteriormente mencionado.
29
Ecuación 8
𝐸 = 𝐸(𝑥) + 𝐸(𝑦)
Una vez obtenida la ecuación general para el balance de masa, se especifican cada uno de los
flujos con sus respectivos porcentajes de entrada y salida, que fueron obtenidos mediante
cálculos porcentuales de la planta extractora de aceite de microalgas, esto se utilizó
posteriormente para cada uno de los procesos.
Cálculo de la eficiencia de recuperación y pureza de los procesos de extracción de aceite
Para el cálculo de la eficiencia y pureza de los procesos de producción de aceite, fuerón
necesarios los datos de las concentraciones de las corrientes de entrada y salida. Los datos se
obtienen del balance de masa y se calculan con las siguientes ecuaciones propuestas por (Ray
& Towler., 2011).
Ecuación 9
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠 𝑔/𝑚𝐿
× 100
𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑔/𝑚𝐿 + 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑔/𝑚𝐿
Ecuación 10
𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 = 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠
Cantidad de energía que necesita la planta de extracción de aceite
Los principales equipos que consumen energía son: centrifuga, sonicador, plancha
calentamiento, bombas y motores; estos fueron seleccionados de acuerdo a la capacidad y el
tiempo de operación. Para el cálculo de la cantidad de energía para producir aceite de
microalgas, es necesario conocer la potencia con la que van a trabajar los equipos. La potencia
de las bombas se calculó mediante las ecuaciones propuestas por (Towler, 2011).
Ecuación 11: Potencia de Bombas Hp
𝐿
𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 (min) × 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛(𝑏𝑎𝑟)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐻𝑝) =
450
Ecuación 12: Potencia de Bombas kW
30
𝐿
𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 (
) × 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 (𝑏𝑎𝑟)
min
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐾𝑤) =
600
El cálculo de la potencia de los motores se realizó mediante las siguientes ecuaciones propuestas
por (Rojas et al., 2006).
Ecuación 13: Numero de Reynolds
𝐷𝑎2 × 𝑁 × 𝜌
𝑁𝑅𝑒 =
µ
Donde:
NRe: Numero de Reynolds
Da: Diámetro del agitador, m
N: Revoluciones por segundo, rps
𝜌: 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑, 𝐾𝑔/𝑚3
µ: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑,
𝐾𝑔
𝑚×𝑠
Ecuación 14: Numero de potencia
𝑁𝑝 =
𝑃
𝜌 × 𝑁 3 × 𝐷𝑎5
Figura 5 Gráfico para determinar el número de potencia
31
Con el dato de número de Reynold obtenida de la ecuación anterior, se tiene el número de
potencia de la gráfica propuesta por (Rojas et al., 2006) y con la siguiente ecuación se cálcula
la potencia del motor.
Ecuación 15: Potencia de motor
𝑃 (𝑊) = 𝑁𝑝 × 𝜌 × 𝑁 3 × 𝐷𝑎^5
Para el cálculo de la cantidad de la energía que consumen los equipos utilizamos la siguiente
ecuación:
Ecuación 16
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 (𝑘𝑤) = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 × 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
Costo de la energía y capital
Costo energía
Para el cálculo del costo de energía se tiene el consumo de energía de los equipos, y el costo
del servicio eléctrico de Quito (EEQ) es de 0.12 $/kWh, esta tarifa es específicamente para el
sector industrial.
Ecuación 17: Costo Energía
$
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 (𝑘𝑊) = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑘𝑤 × 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 $
Costo de los equipos
El costo de los equipos principales como: clarificador, centrifuga, sonicador, cámara extractora,
placa de calentamiento, bombas, válvulas, agitadores, motores fueron cotizados de acuerdo a la
capacidad, material y dimensión. La ecuación es la siguiente:
Ecuación 18: Costo Capital
𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙 = 𝑁° 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 × 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 $
32
Representación de la planta de extracción de aceite en el diagrama (PFD)
El diagrama de flujo del proceso (PFD) es la base para estimar los equipos necesarios y
determinar las especificaciones de los mismos. Además, incluye la descripción detallada de la
planta, con los nombres de identificación de los equipos y flujos másicos de las corrientes que
intervienen en el proceso. Además, se incluye una tabla que representa las especificaciones de
la tubería para trasportar las corrientes del proceso tales como el diámetro y material, junto con
dispositivos como válvulas y bombas que permitan el trasporte de las corrientes mencionadas.
33
RESULTADOS
Identificación de los equipos
La figura 6, muestra los procesos necesarios para la trasformación de la biomasa en aceite y el
producto obtenido de cada proceso. Una vez identificado los equipos necesarios para cada
proceso y el trabajo que se va a realizar, determinamos la eficiencia, cantidad energía, costo de
energía y capital.
Floculante
Consorcio de
microalgas
Clarificacion
Agua
Biomasa
humeda
Centrifugacion
Agua
Biomasa
concentrada
Aceite
TRG
Sonicación
Biomasa células
rotas
Cloroformo:
metanol
Cámara
extractora
Proteinas
Cloroformo:
metanol
Aceite
TRG
Figura 6 Diagrama de flujo de la obtención de aceite a partir de microalgas
Eficiencia de la recuperación o rendimiento de los procesos para la extracción de aceite
Con los datos obtenidos del balance de masa del proceso de extracción de aceite, se realizó un
resumen que se presenta en la tabla 2 de las concentraciones alcanzadas.
34
Tabla 2 Concentraciones de las corrientes de entrada y salida de los procesos
Proceso
Corrientes
Entrada
Clarificación
Floculante
Consorcio
60150
Biomasa
Agua
5864,6
Corrientes
Entrada
Alimentación
(mL)
Centrifugación
Proceso
Alimentación
(mL)
Sonicación
Extracción
Biomasa
Agua
Biomasa
Solvente
586,46
646,63
Corrientes
Salida
Biomasa
concentrada
Agua +
Biomasa
Biomasa
concentrada
Agua +
Biomasa
Corrientes
Salida
Biomasa con
disrupción
celular
Biomasa sin
disrupción
celular
Agua +Aceite
TRG
Solvente
Volúmenes Biomasa
(mL)
(g)
Concentración
o Pureza
(g/mL)
5864,6
23.97
0,00409
54285,3
0.39
7,1 x10-6
586,46
23.75
0,0404
5278,16
0.22
4,2 x10-5
Volumen
(mL)
Aceite
(g)
Concentración
o Pureza
(g/mL)
494,9
19,99
91,5
3,69
586,46
0,0404
0,0140
8,210
60,16
1.0
Cálculo de la eficiencia de recuperación y pureza
Se realizó el cálculo de la eficiencia en base a la biomasa húmeda obtenida en el proceso de
clarificación, mediante la ecuación 9 y 10.
Clarificación
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
0,00409 𝑔/𝑚𝐿
× 100
𝑔
7,1𝐸 − 06 𝑚𝐿 + 0,00409 𝑔/𝑚𝐿
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% = 99,82
Centrifugación
En el proceso de centrifugación, la eficiencia se calculó en base a la cantidad de células rotas
que se logró en el proceso.
35
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
0,0404 𝑔/𝑚𝐿
𝑔
𝑔 × 100
4,2𝐸 − 05
+ 0,0404
𝑚𝐿
𝑚𝐿
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% = 99,90
Sonicación
En el proceso de centrifugación, la eficiencia se calculó en base a la biomasa obtenida en el
proceso.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
494,9 𝑚𝐿
× 100
586,46 𝑚𝐿
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% = 84,44
Extracción de aceite
En este proceso se ha recuperado el 41% de lípidos según estudios realizados. Por otro lado, se
determinó que los resultados de la eficiencia de recuperación de aceite de microalgas de los
procesos de clarificación, centrifugación, sonicación tuvieron altos rendimientos, es decir se
logró obtener el producto deseado con un porcentaje de pérdida mínimo y aceptable en base a
las condiciones de operación obtenidas en los ensayos.
Cálculo de la cantidad de energía que necesita la planta para la extracción de aceite
Proceso productivo y necesidad de energía
La planta de extracción de aceite a partir de microalgas, requiere de energía por cuanto para la
obtención del producto, es necesaria la trasformación mediante distintos procedimientos tales
como la concentración de la biomasa, la disrupción celular y la extracción de aceite, los cuales
requieren de equipos que a su vez necesitan de alguna forma de energía para su funcionamiento.
La cantidad de energía, depende del proceso productivo, el diseño y selección. En la tabla 3, se
muestra la capacidad de los equipos, que dependen del volumen a procesar y tiempo de
operación. Es importante tomar en cuenta que la planta está diseñada a escala piloto, por lo que
y los volúmenes a tratar serán bajos.
36
Tabla 3 Capacidad de los equipos
Corriente Entrada
Flujo
volumétrico
[mL/h]
Floculante
150
Consorcio
60000
Centrifugación
Biomasa Húmeda
5864,63
6000
Sonicación
Biomasa Concentrada
586.46
600
Cloroformo:metanol
60,16
Proceso
Capacidad del
Equipo (mL/h)
60150
Clarificación
600
Extracción
Biomasa (células rotas)
586,46
Una vez determinada la capacidad del equipo, es necesario saber las características de los
equipos, con datos sobre la productividad, la cantidad de energía que utiliza, la potencia, así
como las características para su operación como se muestra en el anexo C-3 de las
especificaciones técnicas de los equipos. El tipo de energía que necesitan los equipos es
electricidad como se muestra en la tabla 4.
Tabla 4 Tipo de energía que necesitan los equipos
Proceso
Detalle de los procesos
Fuente de energía
Concentración
Empleando fuerza centrípeta para
decantar o sedimentar fases
solida-liquida.
Electricidad
Disrupción celular
Empleando ondas de ultrasonido
para el rompimiento de la pared
celular
Electricidad
Extracción
Empleando calor para concentrar
Electricidad
Homogenización
Mediante motores
Electricidad
Transporte de fluidos
Mediante bombas de líquidos
Electricidad
37
Cálculo de la potencia de las bombas
El cáculo de la potencia se realizó mediante las ecuaciones 11 y 12, con el dato de la presión
de 1 bar propuesta ya que las bombas que se necesitan son pequeñas. Los flujos se tienen del
balance de masa como muestra la tabla 5, para determinar la capacidad de las bombas.
Tabla 5 Capacidad de las bombas
Bomba
flujo
mL/h
flujo
L/min
1
60000
1.00000
2
150
0.00250
3
60150
1.00250
4
5864.63
0.09774
5
54285.38
0.90476
6
586.46
0.00977
7
5278.16
0.08797
8
8.8
0.00015
9
577.67
0.00963
10
60.16
0.00100
11
0.53
0.00001
12
60.16
0.00100
𝑚𝐿
1 𝑚𝑖𝑛 × 1 𝑏𝑎𝑟
= 0,00250
Potencia Hp
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐻𝑝) =
450
Potencia kW
𝐿
1 (min) × 1 𝑏𝑎𝑟
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑘𝑊) =
= 0,00167
600
38
La tabla 6, muestra el cálculo de la potencia real que necesita cada bomba para trasportar el
fluido.
Tabla 6 Potencia de las bombas
Bomba
Flujo
mL/h
Flujo
L/min
1.00000
Potencia
Demandada
HP
0.0022222
Potencia
Demandada
kW
0.0016667
1
60000
2
3
4
5
6
7
8
9
150
60150
5864.63
54285.38
586.46
5278.16
8.8
577.67
0.00250
1.00250
0.09774
0.90476
0.00977
0.08797
0.00015
0.00963
0.0000056
0.0022278
0.0002172
0.0020106
0.0000217
0.0001955
0.0000003
0.0000214
0.0000042
0.0016708
0.0001629
0.0015079
0.0000163
0.0001466
0.0000002
0.0000160
10
11
12
60.16
0.53
60.16
0.00100
0.00001
0.00100
0.0000022
0.00000002
0.0000022
0.0000017
0.00000001
0.0000017
0.0051951
Potencia Real
Cálculo de la potencia de los motores para la agitación
Los datos obtenidos del diseño del clarificador se muestran en la tabla 7 y con las Ecuaciones
13, 14 y 15 se calcularón la potencia que necesitan los motores para la agitación.
Tabla 7 Datos para el cálculo de la potencia
Diámetro del agitador (Da)
Numero de revoluciones (N1)
Numero de revoluciones (N2)
Densidad (ρ)
Viscosidad (µ)
0.3019 m
0.67 rps
3.33 rps
0.406 Kg/m3
0.0015 Kg/m*s
Motor 1 (N1):
Número de Reynolds
39
𝑁𝑅𝑒 =
(0,302 𝑚)2 × 0,67 𝑟𝑝𝑠 × 0,406 𝐾𝑔/𝑚3
= 16,53
𝐾𝑔
0,0015 𝑚 𝑠
Número de Potencia
Con el número de Reynolds, se obtiene el número de potencia de la figura 5, expuesta en la
metodología.
𝑁𝑝 = 3
Potencia W
𝑃 (𝑊) = 1 × 0,406
𝐾𝑔
× (0,67 𝑟𝑝𝑚)3 × 0,3025 = 0,00092
𝑚3
𝑃 (𝑘𝑊) = 0,000000919
Motor 2 (N2):
Número de Reynolds
𝑁𝑅𝑒 =
(0,302 𝑚)2 × 3,33 𝑟𝑝𝑠 × 0,406 𝐾𝑔/𝑚3
= 82,20
𝐾𝑔
0,0015 𝑚 𝑠
Número de Potencia
𝑁𝑝 = 1
Potencia W
𝑃 (𝑊) = 1 ×
0,406 𝐾𝑔
× 3,33 𝑟𝑝𝑠 3 × 0,3019 𝑚5 = 0,03771
𝑚3
𝑃 (𝑘𝑊) = 0,0000377
La potencia necesaria: motor 1 es de 0,000000919 kW y el motor 2 de 0,0000377 kW
40
Consumo total energía
Para el cálculo del consumo de energía se realizó mediante la ecuación 16. Los equipos fueron
seleccionados en base a la potencia demandada y a la existencia en el mercado (potencia
comercial) como se muestra en la tabla 8.
Tabla 8 Consumo total energía de la planta
Equipos
Centrifuga
Sonicador
Placa
calentamiento
Bomba 1
Bomba 2
Bomba 3
Bomba 4
Bomba 5
Bomba 6
Bomba 7
Bomba 8
Bomba 9
Bomba 10
Bomba 11
Bomba 12
Motor 1
Motor 2
6
0.6
Potencia
Demandada
kW
2.50
0.95
Potencia
Comercial
kW
2.50
0.95
5
0.70
0.70
60
0.15
60.15
5.86463
54.28538
0.58646
5.27816
0.0088
0.57767
0.06016
0.00053
0.06016
60.15
60.15
0.001667
0.000004
0.001671
0.000163
0.001508
0.000016
0.000147
0.000000
0.000016
0.000002
0.000000
0.000002
9 x10-7
X10-5
4.15
0.75
0.63
0.75
0.75
0.75
0.63
0.75
0.63
0.63
0.63
0.63
0.63
0.70
0.70
13.71
Corrientes
mL/h
Capacidad
L/h
5864.63
586.46
8.8
60000
150
60150
5864.63
54285.38
586.46
5278.16
8.8
577.67
60.16
0.53
60.16
60150
60150
TOTAL:
La cantidad de energía que necesita la planta es de 13,71 kWh para producir 8,22 g/h de aceite
datos obtenido del balance de masa. Finalmente cabe destacar que la selección apropiada de la
fuente de energía es determinante para el éxito del proceso productivo.
Costo de la energía
A fin de costear las operaciones, se calculó el costo de electricidad para los procesos, para esto
fue necesarias las tarifas o costos de la energía Tabla 9. Los datos de la potencia de los equipos
41
se obtuvieron de las cotizaciones. Los equipos que se necesitaban eran de baja potencia y
capacidad por lo tanto se seleccionaron los equipos de menor capacidad que se encuentran en
el mercado es decir de potencia nominal como se muestra en la tabla 10.
Tabla 9 Datos para el cálculo del consumo de energía
0.12 $/kWh
8200 h/año
Costo energía
Tiempo de operación de la planta
Tabla 10 Cantidad de energía para la planta
Equipos
Corrientes
mL/h
Centrifuga
Sonicador
Placa
calentamiento
Bomba 1
Bomba 2
Bomba 3
Bomba 4
Bomba 5
Bomba 6
Bomba 7
Bomba 8
Bomba 9
Bomba 10
Bomba 11
Bomba 12
Motor 1
Motor 2
TOTAL:
5864.63
586.46
8.8
60000
150
60150
5864.63
54285.38
586.46
5278.16
8.8
577.67
60.16
0.53
60.16
60150
60150
Capacidad Potencia
Real L/h Comercial
kWh
6
2.50
0.6
0.95
5
0.70
60
0.15
60.15
5.86463
54.28538
0.58646
5.27816
0.0088
0.57767
0.06016
0.00053
0.06016
60.15
60.15
0.75
0.63
0.75
0.75
0.75
0.63
0.75
0.63
0.63
0.63
0.63
0.63
0.70
0.70
13.72
Costo
energía
$/kWh
0.30
0.11
0.08
Costo
energía
$/kWaño
2460.00
934.80
688.80
0.09
0.08
0.09
0.09
0.09
0.08
0.09
0.08
0.08
0.08
0.08
0.08
0.08
0.08
1.65
733.77
623.70
733.77
733.77
733.77
623.70
733.77
623.70
623.70
623.70
623.70
623.70
688.80
688.80
13495.97
Costo de Capital
El costo de capital se refiere a los equipos que se utilizaran en la planta de extracción de aceite,
para esto se realizó una cotización de todos los equipos anexo C-3. En la tabla 11, se muestra
de forma más detallada los equipos requeridos para el funcionamiento de la planta como:
clarificador, centrifuga, sonicador, extractor soxhlet, plancha calentadora, válvulas para
42
controlar la salida y entrada de las corrientes y bombas que permitan el llenado y vaciado de
los tanques, motores y tubería. La inversión para equipos es de $ 15918.
Tabla 11 Costo Equipos
Cantidad
Equipos
Características
1
1
1
1
1
7
5
2
12
1
Materiales para clarificador
Centrifuga
Ultrasonido o sonicador
Extractor Soxhlet
Placa calentamiento
Bombas
Bombas
Motores con agitador
Válvulas
Tubería
6446,94 cm2
6L
0.6 L
5L
700 W
0.85 Hp
1 Hp
3000 rpm
metálicas 2"
PVC (1",2",4"), acero inox.
Precio
unitario
$
1650
5791
2200
390
375
321
425
85
10
850
TOTAL
Precio
total
$
1650
5791
2200
390
375
2247
2125
170
120
850
15918
Diseño a escala piloto de la planta de extracción de aceite a partir de microalgas
La planta de extracción está diseñada para una capacidad de 60150 L/h, un poco más grande a
lo establecido anteriormente, debido a la corriente de solvente que ingresa al clarificador. Como
materia prima se utilizará el consorcio de microalgas obtenida de un fotobiorreactor piloto. La
capacidad de los equipos requeridos es pequeña ya que se está trabajando a escala piloto, el
diseño de la planta se representó en un diagrama PFD y un diagrama de tuberías.
Diagrama de flujo (PFD) de la planta
En este diagrama de flujo se explica con mayor detalle los equipos empleados en el proceso de
extracción de aceite, los flujos de las corrientes que ingresan y salen, temperatura y productos
de todos los procesos figura 7.
43
Leyenda de Símbolos
Lista de Equipamiento
TM-02
TC-03
CT-04
IDENTIFICACION
TK-01
EQUIPO
Tanque de
almacenami
Tannque
mezclador
Tanque
clarificador
Centrífuga
SC-05
CE-06
Sonicador
Camara de
extracción
Corriente
Válvula
Bombas
Motor
V-2
1
TK-01
V-1
2 B-2
M1
B-1
1
5
12
V-3
7
TM-02
B-3
3
B-12
M-2
B-5
10
9
B-7
V-12
V-10
.
B-10
V-5
8
V-7
TC-03
CE-06
V-11
V-4
B-11
B-9
V-6
4
CT-04
11
B-4
V-9
B-6
6
V-8
B-8
SC-05
Diagrama de flujo de proceso
Cristina Echeverria
26/06/2017
Titulo
Autor
Fecha
Componentes (g/h)
Consorcio
Floculante
Biomasa + Agua
Aceite TGR
Cloroformo:metanol
Proteinas + Agua
TOTAL
1
24,36
2
136
3
24,36
136
Lista de corrientes
4
5
6
136
23,97
0,39
23,75
7
8
0,22
20,05
9
10
11
12
8,22
60,16
60,16
3,70
39,36 173,97
23,75
20,05
60,16
Figura . Diagrama del proceso (PFD) de la planta a escala piloto de extracción de aceite a partir de microalgas
Figura 7 Diagrama (PFD) de la planta a escala piloto para la extracción de aceite a partir de microalgas
44
Funcionamiento de la planta
La planta está constituida principalmente por un clarificador y una centrifuga para la
concentración de la biomasa, un sonicador para la disrupción celular y un extractor soxhlet para
separar el aceite del solvente. Para su funcionamiento la planta partirá desde el concentrado de
la biomasa, sobre los datos obtenidos experimentalmente se establece que las unidades del
balance de masa se representarón en gramos por hora, debido a las pequeñas cantidades
obtenidas en los procesos.
Equipos en la planta y distribución
La planta de extracción de aceite representada en la figura 7 tiene una distribución que permite
disminuir la distancia recorrida por las sustancias que intervienen en el proceso de extracción
de aceite a partir de microalgas. Las cargas de floculante y solvente se realizan manualmente,
además existen válvulas manuales que requieren que las abra o cierre según el requerimiento.
Los cálculos referentes al diseño y dimensionamiento de los equipos necesarios para la
operación de la planta de extracción de aceite a partir del consorcio de microalgas se detallan
en el anexo C-2 y C-3. En el diagrama también se detalla la nomenclatura de los equipos.
Diagrama (PFD) de proceso
El diagrama 8, de tuberías consta el material de las corrientes según el fluido. Se cuenta con 12
bombas y 12 válvulas. La potencia de las bombas varía para cada una ya que los flujos son
distintos.
45
Leyenda de Símbolos
Corriente principal
Control proporcional de temperatura
V-2
1
TK-01
V-1
TIC
2 B-2
M1
B-1
1
5
12
V-3
TIC
7
TM-02
B-3
3
B-13
M-2
V-12
B-5
10
9
B-7
V-10
.
B-10
V-5
CE-06
V-7
TC-03
V-11
V-4
4
8
B-9
V-6
CT-04
B-4
B-11
11
V-9
B-6
6
V-8
B-8
SC-05
Titulo
Autor
Fecha
Diagrama de tuberias
Cristina Echeverria
26/06/2017
Corriente
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Nomenclatura
D nominal (in)
Servicio
1-BI-01 SA
1
Consorcio
3/8-AG-02-PVC SA
3/8
floculante
2-BI-03-AI-SA
2
Biomasa
1-BI-04-AI-SA
1
Biomasa
2-AG-05-PVC SA
2
Agua
1/4-BI-06-AI SA
1/4
Biomasa
1-AG-07-PVC SA
1
Agua
1/4-BI-08-AI SA
1/4
Biomasa
1/4-AC-09-PVC SA
1/4
Aceite
1/8-CL-10-AC SA
1/8
Cloroformo:metanol
1/4-AC-11-PVC SA
1/4
Aceite
1/4-PR-12-PVC SA
1/4
Proteinas
LISTA DE LINEAS
Material
Acero inoxidable 304
Cloruro de polivinilo
Acero inoxidable 304
Acero inoxidable 304
Cloruro de polivinilo
Acero inoxidable 304
Cloruro de polivinilo
Acero inoxidable 304
Cloruro de polivinilo
Acero al carbono
Cloruro de polivinilo
Cloruro de polivinilo
Aislamiento
SA
SA
SA
SA
SA
SA
SA
SA
SA
SA
SA
SA
Figura 8 Diagrama (PFD) de tuberías para la planta de extracción de aceite a partir de microalgas.
46
CONCLUSIONES

La cantidad de aceite que se obtuvo de la planta de extracción de aceite de microalgas,
según el balance de masa fue 8, 22 g por cada 24,36 g de biomasa respondiendo con
esto al objetivo general de este estudio.

El proceso concentración de la biomasa mediante la clarificación fue eficiente utilizando
el floculante LIPESA 1544 a base de poliacrilamida para la recuperación de la biomasa
de microalgas Monoraphidium contortum 99.6 %- Chlorella vulgaris 0.4% en una
concentración de 25 ppm, tiempo de retención 150 min y eficiencia de recuperación de
la biomasa del 98.4 % en promedio. Los otros polímeros a base de policloruro de
aluminio (PAC) y poliacrilamida resultaron ineficiente en este proceso y en formación
de la interfase.

El proceso de concentración de la biomasa mediante la centrifugación, fue eficiente en
un tiempo de 30 minutos y 3000 rpm ya que logró separar el agua de la biomasa llegando
a una eficiencia de recuperación del 99,9 % en promedio.

El proceso de destrucción celular por sonicación, se realizó para romper las células y
extraer el aceite. En un tiempo de 180 min y 100 % de amplitud, se llegó a una eficiencia
de 84,44 % de células rotas. Se recomienda realizar pruebas ajustando las condiciones
de operación, ya que en este proceso de sonicación no se llegó a la eficiencia esperada.

Se recomienda con el fin de complementar la investigación, ensayar el proceso de
extracción de aceite mediante el método Soxhlet, con relación de solventes
cloroformo:metanol mencionada en la metodología, ya que no se alcanzó a realizar las
pruebas utilizando esta relación de productos químicos.

La cantidad de energía que necesita la planta para producir 8,22 g/h de aceite de
microalgas es de 4,15 kWh que corresponde a la potencia demandada y 13,71 kWh
correspondiente a la potencia comercial. En este caso la potencia nominal es mucho más
47
alta que la real debido a que los equipos seleccionados fueron los de menor capacidad
que se pueden encontrar en el mercado.

Los principales costos que se tomaron en cuenta fueron los costos de energía y costos
de capital. Los resultados obtenidos indican que el proyecto es factible, debido
principalmente a que las tecnologías utilizadas están en una etapa de madurez suficiente
como para ser implementadas y que además los costos totales son favorables para el
proyecto (costos de energía de 13495.97 $/año y capital 15918 $).

Con respecto al método de recuento celular se puede concluir que la aplicación del
mismo ayudo a determinar la cantidad de células presentes en el sobrenadante, para el
calculó del porcentaje de recuperación de biomasa en los procesos y definir el tiempo
de operación. Por lo tanto, se recomienda la aplicación de este método para saber con
exactitud el número de células.

Se recomienda investigar las formas de cultivos adecuadas para elevar el porcentaje de
contenido de lípidos en las microalgas.
48
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53
ANEXOS
Anexo A
A-1. Ensayo de prueba de jarras para la selección del floculante y dosis.
Para seleccionar el tipo de floculante y dosis, se tomó en cuenta que los resultados se encuentren
en el rango máximo permitido de turbidez y pH del agua. Otro dato importante para la selección
fue el tiempo de sedimentación debía darse en el menor tiempo posible y ser eficiente. Con lo
establecido anteriormente, los resultados fueron que el tipo de floculante más apropiado para el
proceso de clarificación es el L-1544 con una dosis de 25 ppm ya que presento las mejores
características: turbidez baja con relación a los otros dos floculantes (PAC y L-1627) y los
valores de pH se encuentran dentro de lo establecido.
Tabla 12 Prueba 1 dosificación con floculante PAC
JARRA
1
2
3
4
5
6
TIPO FLOCULANTE: PAC
Tiempo de sedimentación: 36 horas
DOSIS
DOSIS (ml)
pH
(ppm)
5
0.125
7.29
10
0.25
7.38
15
0.375
7.45
20
0.50
7.58
25
0.625
7.52
30
0.75
7.60
TURBIDEZ
740
368
205
98
195
160
Tabla 13 Prueba 2 dosificación con floculante L-1627
JARRA
1
2
3
4
5
6
TIPO FLOCULANTE: L-1627
Tiempo de sedimentación: 24 horas
DOSIS
DOSIS (ml)
pH
(ppm)
5
0.125
7.33
10
0.25
7.26
15
0.375
7.12
20
0.50
5.57
25
0.625
7.51
30
0.75
7.28
TURBIDEZ
462
308
105
207
291
256
54
Tabla 14 Prueba 3 dosificación con floculante L-1544
JARRA
1
2
3
4
5
6
TIPO FLOCULANTE: L-1544
Tiempo de sedimentación: 150 minutos
DOSIS
DOSIS (ml)
pH
(ppm)
5
0.125
7.19
10
0.25
7.39
15
0.375
7.38
20
0.50
7.48
25
0.625
7.59
30
0.75
7.64
TURBIDEZ
461
322
172
49.92
13.01
60
Pruebas de Floculacion
120
Eficiencia (%)
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Concentracion de floculante (Ppm)
PAC
L-1627
LIPESA 1544
Figura 9 Resultados de las pruebas con diferentes floculantes
Figura 10 Cantidad de células observadas mediante microscopio antes y después de la
clarificación.
55
A-2. Prueba de sedimentación para determinar el tiempo de retención
Con los datos de la tabla 15, se graficó la curva de sedimentación de la biomasa como se observa
en la figura 11. Trazando la tangente a la curva, se obtiene el tiempo de retención. La curva
indica que el tiempo sedimentación con floculante L-1544 fue de 150 min.
Tabla 15 Datos de la prueba de sedimentación
Altura
interfase
(m)
Volumen
(mL)
Tiempo
sedimentación
(min)
0.350
0.310
0.270
0.233
0.196
0.160
0.133
0.095
0.060
0.035
0.030
0.029
1000
950
805
620
530
410
335
200
86
23
23
22
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
Curva de sedimentacion de la biomasa
Altura de interfase (m 0 mL)
0,400
0,350
Curva velocidad de sedimentacion
Tangente a la curva
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tiempo de sedimentacion (min)
Figura 11 Curva de sedimentación para determinar el tiempo óptimo.
56
A-3. Cálculo de la concentración de la biomasa
Se tomó una muestra de 10 L del consorcio de microalgas, previamente se pesó él tuvo vacío y
él tuvo con consorcio, se registraron los datos, luego de la centrifugación se separó el agua de
la biomasa y se pesó. Se calculó la concentración con la ecuación de la densidad.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜 = 𝑇𝑢𝑣𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 − 𝑇𝑢𝑣𝑜 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 = 7,246 𝑔 − 6,84 𝑔 = 0,406 𝑔
𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =
𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 =
𝑚
𝑣
4,06 𝑔
𝑔
= 0,406
10 𝐿
𝐿
𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 0,406
𝑔
𝐿
57
Anexo B
B-1. Recuento celular mediante la cámara de Neubauer para determinar el tiempo óptimo
de operación de la centrifuga
Se tomó una muestra del consorcio de microalgas y se determinó la densidad celular inicial por
contaje celular, después del proceso de centrifugación se determinó la densidad celular final
contenida en la fase sobrenadante. Para determinar la densidad celular inicial antes del proceso
de centrifugación se contaron 5 cuadros en los que se encontraron 437 células, por lo tanto la
densidad celular inicial se calculó con la Ecuación 1.
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
437
× 10000 = 874000
5
A continuación, se muestra la densidad celular obtenida después del proceso de centrifugación
a diferentes intervalos de tiempo y calculadas mediante la ecuación 5.
•
Prueba a 3000 rpm por 10 minutos
Después del proceso de centrifugación se contaron en el sobrenadante 5 cuadros en los que se
encontraron 90 células, por lo tanto, se calculó la densidad celular final mediante la ecuación
1.
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
27
× 10000 = 54000
5
La eficiencia para esta condición se calculó mediante la Ecuación 2.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
•
874000 − 54000
× 100 = 93,82
874000
Prueba a 3000 rpm por 20 minutos
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
15
× 10000 = 30000
5
874000 − 30000
× 100 = 96,57
874000
58
•
Prueba a 3000 rpm por 30 minutos
4
× 10000 = 8000
5
874000 − 8000
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
× 100 = 99,08
874000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =

Prueba a 3000 rpm por 40 minutos
5
× 10000 = 10000
5
874000 − 10000
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
× 100 = 98,85
874000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =

Prueba a 3000 rpm por 50 minutos
6
× 10000 = 12000
5
874000 − 12000
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
× 100 = 98,63
874000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
Tabla 16 Resultados de la eficiencia densidad vs. tiempo centrifugación
Tiempo
(min)
N°
células/mL
Eficiencia
%
0
874000
-----
10
54000
93,82
20
30000
96,57
30
8000
99,08
40
10000
98,85
50
12000
98,63
59
Figura 12 Cantidad de células observadas mediante microscopio antes y después de la
centrifugación
B-2. Recuento celular mediante la cámara de Neubauer para determinar el tiempo óptimo
de operación de la sonicación
Se tomó una muestra del consorcio de microalgas y se determinó la cantidad de células inicial
por contaje celular, después del proceso de sonicación se determinó la cantidad de células rotas.
Para determinar la cantidad de células inicial antes del proceso de sonicación se contaron 5
cuadros en los que se encontraron 437 células, por lo tanto la cantidad de células inicial se
calculó con la Ecuación 1.
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
437
× 10000 = 874000
5
A continuación, se muestra la cantidad de células rotas obtenida después del proceso de
sonicación a diferentes intervalos de tiempo y calculadas mediante la ecuación 5.
•
Prueba a 40 % de amplitud, pulsación 5s 2s por 15 minutos
Después del proceso de sonicación se contaron 5 cuadros en los que se encontraron 0 células
rotas, por lo tanto, se calculó la cantidad de células rotas mediante la ecuación 5.
60
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑠 =
0
× 10000 = 0
5
La eficiencia para esta condición se calculó mediante la Ecuación 2.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑠
× 100
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
•
0
× 100 = 0
874000
Prueba a 40% de amplitud, pulsación 5s 2s por 15 minutos
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
•
10
× 10000 = 20000
5
20000
× 100 = 2,29
874000
Prueba a 70% de amplitud, pulsación 7s 4s por 45 minutos
25
× 10000 = 50000
5
50000
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
× 100 = 5,72
874000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
•
Prueba a 100% de amplitud, pulsación 10s 5s por 90 minutos
248
× 10000 = 496000
5
496000
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
× 100 = 56,75
874000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
•
Prueba a 100% de amplitud, pulsación 10s 5s por 180 minutos
369
× 10000 = 738000
5
738000
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎% =
× 100 = 84,44
874000
𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 =
Tabla 17 Resultados de la eficiencia densidad vs. tiempo sonicación
61
Tiempo
(min)
N° células
rotas/mL
Eficiencia
%
15
0
0
30
20000
2,29
45
50000
5,72
90
496000
57,75
180
738000
84,44
62
Anexo C
C-1 Capacidad de los equipos para la selección
Se realizó una tabla con los datos obtenidos en laboratorio de los flujos volumétricos de las
corrientes que entran a los procesos para determinar la capacidad con la que van trabajar los
equipos como muestra la tabla 18.
Tabla 18 Corrientes de entrada a los procesos
Proceso
Corriente Entrada
Flujo
volumétrico
[mL/h]
Capacidad
del Equipo
[mL/h]
Floculante
150
Consorcio
60000
Centrifugación
Biomasa Húmeda
2255,63
2500
Sonicación
Biomasa Concentrada
203,01
250
Cloroformo:metanol
59918,19
Biomasa (células rotas)
157,74
6500
Clarificación
200
Extracción
C-2 Diseño de los equipos
Diseño del clarificador
Con los resultados de las pruebas realizadas para la concentración de biomasa mediante la
clarificación, se generaron los siguientes datos como se muestra en la tabla 19, para el diseño
del equipo.
63
Tabla 19 Datos del clarificador
Antes clarificación: 10-12 % en 250 mL
% de Biomasa
Después clarificación: 10 – 12 % en 20 –
25 mL
Volumen de biomasa evacuada
49.77 𝑐𝑚3
Tiempo de sedimentación
150 min
Altura de sedimentación
35 cm
Para el diseño del clarificador es importante la capacidad con la que va a trabajar, este dato se
tomó del anexo C-1.
Tabla 20 Capacidad o caudal de entrada
Capacidad del clarificador (Qe)
60150
𝑚𝐿
h
= 60150
𝑐𝑚3
ℎ
Cálculo de la velocidad de sedimentación (Vs):
v𝑠 =
𝑑ℎ
𝑑𝑡
0𝐴
35 𝑐𝑚
= 0𝐵 = 150 𝑚𝑖𝑛 = 0.233 𝑐𝑚/𝑚𝑖𝑛
v𝑠 = 0.233 𝑐𝑚⁄𝑚𝑖𝑛 = 14 𝑐𝑚⁄ℎ
Cálculo del área del clarificador (Ac):
𝐴𝑐 =
𝑄𝑒
𝑣𝑠
fáctor de seguridad (1.5),
𝑣𝑠 =
14 𝑐𝑚/ℎ
= 9.33 𝑐𝑚⁄ℎ
1.5
64
𝐴𝑐 =
60150 𝑐𝑚3 /ℎ
9.33 𝑐𝑚/ℎ
= 6446,94 𝑐𝑚2
Cálculo del diámetro del clarificador (D):
4𝐴𝑐
𝐷=√
𝜋
𝐷=√
4 ∗ 6446,94 𝑐𝑚2
= 90.60 𝑐𝑚
𝜋
Cálculo del volumen del clarificador (V):
𝑉 = 𝑄𝑒 ∗ 𝑡
𝑉=
60150 𝑐𝑚3
× 2.5 ℎ = 150375 𝑐𝑚3
ℎ
Cálculo de la profundidad del clarificador (H):
𝐻=
𝐻=
𝑉
𝐴
150375 𝑐𝑚3
6446,94 𝑐𝑚3
= 23.32 𝑐𝑚
Cálculo del tiempo de residencia (tr):
𝑡𝑟 =
𝑡𝑟 =
𝑉
𝑄𝑒
150375 𝑐𝑚3
60150 𝑐𝑚3
= 2.5 ℎ
65
D=90,58 cm
V=150375 cm3
A=6446,94 cm2
DATOS:
Capacidad: 60150 cm3/h
Vs=14 cm/h
tr=2,5 h
H=23,32 cm
CLARIFICADOR
Figura 13 Dimensiones del clarificador
Diseño del Agitador
Con las ecuaciones propuestas por (McCabe et al., 2007) y los datos del diseño del clarificador
C-2, se diseñó el agitador.
Tabla 21 Datos para el agitador
Altura del líquido (hL)
Diámetro del agitador (Dt)
Volumen (V)
21.000 cm
90.58 cm
150375 cm3
Donde:
Dt: diámetro del tanque
hl o Lc: altura optima del liquido
J: ancho de los deflectores
L: longitud de las paletas impulsoras
W:ancho de las paletas impulsoras
E:altura del agitador
66
Diámetro del clarificador
𝐷𝑎 1
=
𝐷𝑡 3
𝐷𝑎 =
𝐷𝑎 =
𝐷𝑡
3
9,58 𝑐𝑚
= 30,19 𝑐𝑚
3
Altura óptima del líquido
𝐻
=1
ℎ𝑙
𝐻 = 1 × ℎ𝑙
𝐻 = 1 × 21,000 𝑐𝑚 = 21,000 𝑐𝑚
Ancho de los deflectores
𝐽
1
=
𝐷𝑡 12
𝐽=
𝐽=
𝐷𝑡
12
90,58 𝑐𝑚
= 7,55 𝑐𝑚
12
Longitud de las paletas impulsadoras
𝐿
1
=
𝐷𝑎 4
𝐿=
𝐿=
𝐷𝑎
4
30,19 𝑐𝑚
= 7,55 𝑐𝑚
4
Altura del agitador
𝐸 1
=
ℎ𝑙 3
𝐸=
𝐸=
ℎ𝑙
3
21,000 𝑐𝑚
3
Ancho de las paletas impulsadoras
67
𝑊 1
=
𝐷𝑎 5
𝑊=
𝑊=
𝐷𝑎
5
30,19 𝑐𝑚
= 6,04 𝑐𝑚
5
Volumen óptimo de agitación
𝐿𝑐 =
𝑉𝑐 =
𝑉𝑐 =
4 × 𝑉𝑐
𝜋 × 𝐷𝑖 2
𝜋 × 𝐷𝑡 2 × 𝐿𝑐
4
𝜋 × 90,582 × 21,000 𝑐𝑚
= 135323,7𝑐𝑚3
4
E=7 cm
L=7,55 cm
Da= 30,19 cm
Volumen optimo
de agitación
3
Vc=135323,7 cm
W=6,04 cm
J=7,55 cm
Dt=90,58 cm
DISEÑO DEL AGITADOR
Figura 14 Dimensiones del agitador
C-3 Selección y especificación técnica de los equipos
Tabla 22 Datos técnicos de la centrifuga
68
CENTRIFUGA
DESCRIPCCION DEL EQUIPO
Se utilizará para concentrar la biomasa (separar la biomasa
del agua)







Alta velocidad
Exactitud del control de velocidad
Rango de ajuste de temperaturatemperatura.
Su profundidad corta con bajo peso
permite la colocación en mesas
Cumple con las normas internacionales
de seguridad.
DATOS TECNICOS
Marca
Thermo Scientific
Modelo
Sorvall Evolution RC
Cat. N°
728211
Fuerza g máxima
70.450 rcf x g
Velocidad máxima
26000 rpm
Capacidad máxima
6L
Ajuste de temperatura
Desde -20 hasta 40°C
Rotor
Ancho
Adaptador
Agita tubos, botellas, frascos y placas
Requerimientos eléctricos
2.5 Kw
Nivel de ruido
63 dbA (a 1 m del equipo a máxima velocidad)
Dimensiones
1.295 X 710 X 1.055 mm – altura 850 mm – profundidad
1.125 mm
Peso
390 Kg (860 lb)
Precio
$ 5791,00
69
Tabla 23 Datos técnicos del sonicador o ultrasonido
ULTRASONIDO O SONICADOR
DESCRIPCCION DEL EQUIPO
Se utilizará para romper la pared de las células de
microalgas y extraer proteínas.





Es potente y fiable para sonicar grandes muestras
Para uso con caja de protección de sonido ST1-16
Control alta precisión de tiempo pulsación y
temperatura.
Es estable
Potencia ajustable de forma continua
DATOS TECNICOS
Marca
SCIENTZ-IID
Modelo
Scientz-IID
Cat. N°
8488847
Capacidad
600 mL /h
Control de temperatura
Necesita chaqueta de enfriamiento durante proceso
Frecuencia
20 a 25 Hz
Pulso
0 a 5 horas
Requerimientos eléctricos
950 W
Nivel de ruido
Alto
Dimensiones
400 X 280 X 220 mm
Peso
12.2 Kg
Precio
$ 2200
70
Tabla 24 Datos técnicos de la plancha de calentamiento
PLANCHA DE CALENTAMIENTO
DESCRIPCCION DEL EQUIPO
Se utilizará para el extractor Soxhlet




El elemento calefactor permite un
calentamiento uniforme y alcanza la
temperatura requerida en poco tiempo
El control de temperatura es un sistema
electrónico PID.
Permite programar la temperatura con
facilidad
Diseñado para la extracción con
solventes de grasas y aceites en diversas
muestras.
DATOS TECNICOS
Marca
E&Q electrónica y quimica
Modelo
Soxhlet Extractor de grasas Digital
Cat. N°
69845
Capacidad
1 puesto
Ancho
13 cm
Largo
13 cm
Rango temperatura
5 °C sobre ambiente hasta 3000 °C
Precisión
+-10 %
Frecuencia
50 Hz
Potencia
700 W
Precio
$ 375
71
Tabla 25 Datos técnicos del extractor de aceite
EXTRACTOR DE ACEITES ESENCIALES
DESCRIPCCION DEL EQUIPO
Se utilizará para extraer el aceite de microalgas con solventes.







Permite obtener la máxima pureza
Los materiales que entran en contacto con la materia
prima no contaminan el producto.
Resistentes a choques térmicos y altas temperaturas.
Diseño compacto para mesas
Sistemas de seguridad a nivel constante
Estructura de acero inoxidable.
Tablero de comando eléctrico.
DATOS TECNICOS
Marca
Figmay SRL
Modelo
Extractor de aceites esenciales
Cat. N°
645EV
Volumen cámara de extracción
2L
Alto
100 cm
Ancho
100 cm
Largo
40 cm
Condensador
De alto rendimiento
Canasto
De acero inoxidable para materia prima
Válvula
Descarga con llaves selectoras
Tensión
2000 V
Corriente
7 A (máx)
Potencia
1500 W
Precio
$ 390
72
Tabla 26 Datos técnicos de las bombas
BOMBAS PARA EL TRANSPORTE DE FLUIDO
Datos Técnicos
Bomba 1
Bomba 2
Bomba 3
Marca
Pedrollo
Pedrollo
Pedrollo
Modelo
CPm610
CPm620
CPm650
Código
03806
03808
5313820
Potencia
0.85 Hp
1 Hp
1.5 Hp
Voltaje
110 V
110 V
110 V
Succión y descarga
1x1
1x1
1.1/4 x 1
Altura (máx-min)
28 a 12 m
34 a 19 m
41 a 24 m
Caudal hasta (máxmin)
10-40 L
10-80 L
20-100 L
Precio
$ 321
$ 425
$ 557
Fotografía
73
Tabla 27 Datos técnicos de los agitadores
MOTOR PARA EL AGITADOR
DESCRIPCCION DEL EQUIPO
Se utilizará para homogenizar la mezcla



Aptos para ser accionados con variador de
velocidad
Carcasa de aluminio que asegura su bajo peso.
El motor incluye agitador
DATOS TECNICOS
Marca
MBP. S.L.
Modelo
MN-65
Max. presión
7 bar
Presión
100 psi
Máxima velocidad
3000 rpm
Potencia
95 Hp
Potencia
0.70 Kw
Peso
2.55 Kg
Precio
$ 85
74