Transformación de algas marinas para combustible de aviación

algas marinas

Reemplazaría la necesidad de la producción química tradicional basada en el petróleo

Se ha desarrollado una nueva tecnología para convertir algas marinas comunes como la Kkosiraegi, que a menudo se utilizan en la cocina, en fuentes de alta calidad tanto para combustibles de aviación como para dispositivos de almacenamiento de energía.

El equipo de investigación del Dr. Kyoungseon Min en el Centro de Investigación de Energía Limpia de Gwangju del Instituto de Investigación Energética de Corea, en colaboración con la Universidad Nacional de Kangwon, ha desarrollado un proceso para producir precursores de combustible de aviación bioenantioselectivos [(R)-gamma-valerolactona] a partir de algas marinas. La biomasa residual de este proceso de producción también se puede utilizar como material de ánodo para baterías de iones de litio.

La utilización de biomasa marina, como las algas, en biorrefinerías puede conducir a la producción de combustibles y productos químicos, reemplazando la necesidad de la producción química tradicional basada en el petróleo. Recientemente, las algas marinas han ganado atención como materia prima para el biocombustible de aviación, ya que su aplicación puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 82% en comparación con el combustible de aviación convencional. Como resultado, se espera que para 2070 el mercado de biocombustible de aviación ecológico represente el 35% del mercado total de combustible de aviación.

Entre los procesos comercializados de producción de biocombustible de aviación, el método con el mayor efecto de reducción de gases de efecto invernadero es la tecnología de conversión de azúcar en combustible para aviones. A través de un proceso de pretratamiento, la biomasa se convierte en azúcares fermentables, que se utilizan como fuente de carbono para la fermentación microbiana para producir los precursores necesarios para la producción de biocombustible de aviación.

Sin embargo, el proceso de pretratamiento es complejo y las reacciones requieren hidrógeno a alta presión, lo que hace que el proceso sea costoso. Además, la cantidad de precursor producido a través de este proceso es sólo alrededor del 15% de los azúcares fermentables utilizados, lo que indica una necesidad de mejora general en la eficiencia.

Para abordar estos desafíos, el equipo de investigación desarrolló un proceso basado en ácido levulínico que genera precursores a través de una reacción enzimática de un solo paso en lugar de fermentación microbiana. Mediante este proceso, las algas pueden convertirse en ácido levulínico con un simple tratamiento ácido y, a través de una reacción enzimática, produce (R)-gamma-valerolactona [(R)-GVL], que tiene mayor utilidad de valor agregado que los precursores tradicionales.

algas para combustible

Imagen: Sistema de biorrefinería sin residuos derivado de biomasa de algas para producir GVL ópticamente puros y ánodos de carbono aplicables a supercondensadores. Crédito: Chemical Engineering Journal (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.151713

La clave de este proceso es convertir directamente el ácido levulínico en un precursor a través de una reacción enzimática. Las algas marinas como Kkosiraegi se convierten en ácido levulínico con solo un tratamiento ácido. Luego, utilizando una enzima diseñada desarrollada por el equipo de investigación, se produce el precursor (R)-GVL. A diferencia de los procesos convencionales que requieren la fermentación microbiana de la biomasa, este método solo se basa en una reacción enzimática, lo que permite la producción de 10 veces más precursor a partir de la misma cantidad de biomasa.

El (R)-GVL ópticamente puro se puede utilizar no solo como combustible para aviación, sino también como intermediario para productos biofarmacéuticos, como los tratamientos para la hipertensión. Sin embargo, para que se lo pueda utilizar en medicamentos para la hipertensión, es necesario producir selectivamente solo la forma (R)-GVL.

Los catalizadores típicos basados ​​en Ru convierten la biomasa en GVL como una mezcla de formas (R) y (S) (isómeros ópticos), pero la mezcla tiene limitaciones para aplicaciones de valor agregado como bioplásticos y biofarmacéuticos, lo que hace que la producción enantioselectiva sea importante.

La enzima diseñada por el equipo de investigación puede convertir el ácido levulínico en (R)-GVL con una precisión superior al 99,999 %. Hasta ahora, la falta de tecnología para producir (R)-GVL de forma selectiva ha impedido su aplicación en el campo biofarmacéutico. Sin embargo, este nuevo desarrollo tecnológico marca un punto de inflexión, posibilitando su futuro uso en dichas aplicaciones.

Además, el residuo de Kkosiraegi sobrante después de la producción de ácido levulínico se utilizó como material de ánodo para baterías de iones de litio a través de un proceso de carbonización. El equipo de investigación preparó "carbono duro", un material de ánodo para baterías de iones de litio, a partir del residuo carbonizado de Kkosiraegi. Aplicaron este material a baterías de iones de litio y analizaron sus características de capacidad, rendimiento y vida útil, confirmando su potencial para aplicaciones prácticas.

La Dra. Kyoungseon Min, la investigadora principal, afirmó: "Como Corea está rodeada por el mar por tres lados, estamos en una posición geopolíticamente ventajosa para asegurar el cultivo de algas marinas".

Agregó que “esta tecnología no sólo desarrolla un proceso para producir materiales de valor añadido a partir de algas aplicables a diversos sectores industriales sino que también utiliza la biomasa restante como material de electrodos. Esto puede contribuir significativamente a acelerar la consecución de la neutralidad de carbono".

Los resultados se publicaron en la revista Chemical Engineering Journal: Algal biomass-based zero-waste biorefinery for producing optically pure (R)-γ-valerolactone and carbonaceous electrodes applicable for energy storage devices

Etiquetas: Alga marinaCombustibleAviación

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