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Developing alternatives to hydrocarbon via pyrolysis and gasification of industry residual biomass
(2023-08-01) Tourn, Silvana; Saires, Paula; Bertero, Melisa; Falco, Marisa; Chamorro, Ester R.
Pyrolysis and gasification are thermal treatment processes using biomass to produce biofuels that can replace fossil fuels in industrial boilers and furnaces. This paper discusses the potential utilization of four types of residual biomass highly produced in the Argentina Northeast (NEA) region, i.e., rice husk, an agricultural waste rich in cotton husk, carob sawdust, and spent red quebracho sawdust, as raw material. Pyrolysis liquid product yields were 34–51 wt% and char yields were 29–40 wt%; tar represented 16–23 wt%. For gasification, gas yields were between 45.6 wt% and 65.7 wt%; as for tar, it represented 2.4–14.1 wt% of initial biomass, and char yields were 31.4–40.3 wt%. Characterization of all products was performed to clarify their potential applications. Bio-oils, i.e., aqueous fractions of pyrolysis liquid products, have high water content (77–88 wt%), that is why they have lower density and viscosity than tars, oil fractions of pyrolysis liquids. However, chemical stability of bio-oils may vary, and their heating values are much lower than the heating values from tars. Based on these, it is possible to concluded that tar is the product with increased added value and higher energy properties. Efficiency of gasification and heating values of the gases obtained were high for waste rich in cotton husk and spent red quebracho sawdust, suggesting a good potential for the utilization in gasification processes. Additionally, char composition and properties for all biomasses, from both process, show that it is feasible to use them in several new applications.
Efluentes como medio de cultivo para obtener biomasa microalgal una innovación posible por la interacción universidad-empresa-Estado
(2021-10-16) Gualini, Fernando; Cuello, María Carolina; Pila, Andrea Natalia; Chamorro, Ester R.
Los efluentes cloacales pueden ser utilizados como medio de cultivo de microorganismos fotosintéticos llamados microalgas. De la biomasa microalgal es factible extraer bioproductos de valor comercial, constituyendo una posible biorrefinería de residuos en sintonía con una economía circular, que precisa ser estudiada. El Centro de Investigación en Química Orgánica Biológica, de la Facultad Regional Resistencia - Universidad Tecnológica Nacional, con experiencia en la temática, junto con la Empresa encargada del servicio de agua de la Provincia del Chaco, vieron la oportunidad de interactuar en un Proyecto para desarrollar una Planta Piloto de cultivo de microalgas en efluentes de la localidad de General San Martín, ubicada en el noreste de la misma provincia. De esta manera, profesionales del Centro y estudiantes avanzados de ingeniería química participaron en el diseño experimental, toma de muestras y cultivo en varias escalas de microalgas en un efluente real local. Luego de la toma de muestras y caracterización del efluente, se seleccionó la cepa de microalga que mejor se adapta al mismo y se cultivó para, luego de la separación de la biomasa, evaluar su composición bioquímica y potencial comercial. El Proyecto presentado fue avalado por el Municipio de la localidad de General San Martín y habiendo sido adjudicados fondos por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva, se constituye en un proyecto pionero en la región en comenzar a evaluar una forma novedosa para el tratamiento de efluentes y el primer paso para un futuro escalamiento con vistas a una biorrefinería de microalgas.
Evaluación de la biorremediación de efluentes industriales/municipales con consorcios de microalgas-bacterias promotoras del crecimiento, aprovechando la biomasa generada para producir compuestos orgánicos de alto valor agregado
(2020) Cuello, María Carolina; Chamorro, Ester R.; Moheimani, Navid R.
Hoy en día, nos enfrentamos ya a una importante escasez de agua dulce, lo que amenaza la sostenibilidad del desarrollo humano, las estimaciones indican que la demanda mundial de agua dulce aumentará en un 55% para 2050, principalmente debido a la creciente demanda en las actividades de manufactura (400%), la generación de electricidad térmica (140%) y el uso doméstico (130%) (FAO 2012). Por otra parte, la gran cantidad de líquidos residuales de origen agrícola-ganadero y las aguas residuales de ciudades en crecimiento, están contaminando los cursos de agua más rápidamente de lo que la naturaleza puede remediarlas (Abdel-Raouf, Al- Homaidan et al. 2012). Las microalgas, microorganismos unicelulares, fotosintéticos, eucarióticos y procarióticos, que pueden crecer en una amplia variedad de condiciones, tienen mayor eficiencia que las plantas terrestres para la captación de dióxido de carbono y el aprovechamiento de la luz solar, por lo que tienen una mayor productividad en términos de biomasa y metabolitos y, además pueden metabolizar eficientemente los nutrientes de varias corrientes de efluentes (aguas residuales municipales, agrícolas e industriales) y producir numerosos compuestos valiosos como proteínas, carbohidratos y lípidos. En este trabajo se evaluó la viabilidad del cultivo de las microalgas Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa, solas y consociadas con la bacteria promotora del crecimiento de plantas Azospirillum brasilense, en mezclas de Suero Ácido de Queso y Purín Vacuno y, la proporción de estas dos corrientes de aguas residuales en las que simultáneamente se logran las mejores tasas de remoción de nutrientes y la mayor producción de bioproductos (biomasa, metabolitos de interés comercial) en cultivos abiertos al exterior. En primer lugar, se realizó la selección o screening en condiciones controladas de laboratorio para seleccionar las condiciones más convenientes para el crecimiento de las microalgas Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa, en Purín Vacuno y Suero Ácido de Queso. Luego se evaluó la capacidad de remoción de nutrientes por parte del cultivo de las microalgas en consorcio con la bacteria promotora del crecimiento Azospirillum brasilense, la productividad volumétrica de biomasa algal y la composición bioquímica de dicha biomasa (es decir, el contenido de carbohidratos, lípidos y proteínas) para los cultivos. vi Finalmente se estudió el co-cultivo en modo semicontinuo, en estanques abiertos al exterior, en las condiciones optimizadas. Se encontró que las microalgas fotoautotróficas Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa se adaptan y crecen en los efluentes de la industria láctea, a saber, Purín Vacuno y Suero Ácido de Queso. La opacidad del Purín Vacuno, su alto contenido en nitrógeno amoniacal, el alto contenido de sólidos suspendidos totales, así como el bajo pH del Suero Ácido de Queso y el rápido descenso del mismo por acción de las bacterias lácticas cuando el efluente no es esterilizado ni diluido, y su bajo contenido de nitrógeno en relación al fósforo (Relación N:P 1,8:1) en comparación con la proporción óptima para el crecimiento microalgal (Relación óptima N:P 16:1) (Redfield 1958), son los principales factores que retrasan el crecimiento de Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa en los mismos. El resultado óptimo de crecimiento microalgal y depuración simultáneas, se alcanzó en mezclas de 50% Purín Vacuno y 50% Suero Ácido de Queso (v/v). Los consorcios Scenedesmus dimorphus-Azospirillum brasilense y Chlorella pyrenoidosa-Azospirillum brasilense fueron estudiados por primera vez consociados de manera programada sin estar co-inmovilizados en microcápsulas de alginato, en este estudio. Los resultados indican que el consorcio Chlorella pyrenoidosa- Azospirillum brasilense, es de beneficio para el crecimiento de la microalga, sobre todo en condiciones adversas al exterior. Esto no ocurre para Scenedesmus dimorphus en consorcio con la misma bacteria. Además, esta microalga mostró una escasa tolerancia a bajos pH y altas temperaturas y, sobre todo, inhabilidad para competir con Chlorella pyrenoidosa en las condiciones cambiantes de los cultivos al exterior. En resumen, este estudio muestra que es posible cultivar Chlorella pyrenoidosa exitosamente y ésta, consociada con una bacteria promotora de crecimiento o sin ella, es capaz de crecer en efluentes de la industria láctea, tales como el Purín Vacuno y el Suero Ácido de Queso, sin esterilizar, ni diluir, ni agregar nutrientes, lo que además de remover contaminantes de los mismos, disminuye la huella hídrica, de carbono y energética, de un cultivo tradicional de microalgas. Además, los extractivos lipídicos de la biomasa algal obtenida, contienen biomoléculas de alto valor agregado que justifican su aislamiento de la biomasa algal tanto o más que las grasas y aceites a los cuales acompañan.
Evaluación del potencial energético de los productos líquidos de pirólisis de residuos agroforestoindustriales del NEA
(2022-09-07) Tourn, Silvana; Saires, Paula; Bertero, Melisa; Falco, Marisa; Chamorro, Ester R.
La economía industrial de la región NEA se basa en las actividades agropecuarias y forestales. Los residuos derivados de estas actividades son significativos y pueden valorizarse. La pirolisis estos residuos, es un tratamiento utilizado para la producción de biocombustibles que pueden emplearse en hornos y calderas del sector. En este trabajo se analiza el potencial de cuatro biomasas residuales del NEA (cascarilla de arroz, rastrojo de algodón, aserrín de algarrobo y aserrín de quebracho colorado agotado) como materia prima para el proceso de pirólisis. El rendimiento de los productos líquidos se encontró entre 34%p y 51%p, y el de los sólidos entre 29%p y 40%p; el tar representó entre el 16%p y el 23%p de los productos líquidos. Se caracterizaron los productos líquidos para dilucidar sus usos. La identificación y cuantificación de los componentes se realizó por cromatografía gaseosa (GC-FID y GC MS). También se hizo análisis elemental, determinación de humedad, pH, densidad y poder calorífico. La composición varió según la biomasa de origen. Debido al alto contenido de agua de los bio-oils (fracción acuosa de los productos líquidos) (entre 77 %p y 88 %p), presentan menor densidad y viscosidad que los tars (fracción oleosa), lo que facilita la atomización en su potencial uso como combustible; sin embargo, no son lo suficientemente estables químicamente, y presentan poderes caloríficos más bajos que los tars y que los combustibles fósiles. En base a esto, es posible afirmar que el tar es el producto de mayor valor y con propiedades energéticas superiores y cercanas a la de los combustibles convencionales.
Evaluación del potencial energético del bio-oil y el bio-char de biomasa residual de las industrias forestales del NEA
(2022-06-24) Tourn, Silvana; Dagnino, Eliana Paola; Sequeira, Alfredo Fabián; Morales, Walter Gustavo; Chamorro, Ester R.
Las industrias forestales de la región generan alrededor de 850 tn/día de aserrín de quebracho colorado agotado. Este residuo puede convertirse en biocombustibles con mayor densidad energética a partir de la pirólisis. Los biocombustibles pueden aprovecharse para alimentar las calderas de las mismas industrias y reducir costos. En este trabajo, se estudió mediante método estadístico de optimización, la pirólisis de biomasa residual a escala laboratorio. En el método estadístico de optimización experimental, se utilizó un modelo factorial (3k). Para esto, se mantuvieron constantes, la masa de aserrín en 6 g, el flujo del gas inerte (N2) en 14,5 ml/min y la temperatura a 550°C (con una rampa de calentamiento de 30°C/min). Los factores que se variaron fueron, el tamaño de partículas del aserrín y el tiempo de retención de pirólisis. Los resultados indicaron que no existen diferencias significativas en el rendimiento de los biocombustibles al variar los factores mencionados. El reactor de lecho fijo presentó un rendimiento de producto líquido del 49,7%, sólido del 23,8% y gas del 26,5%. Luego se caracterizaron los productos sólidos y líquidos de pirólisis, con el objetivo de evaluar su aprovechamiento como fuente energética en el sistema. El Poder Calorífico Superior (PCS) del producto líquido resultó de 31,5 MJ/kg con una densidad de 1,05 kg/dm3, pH de 2 y una humedad de 81,23%. El bio-char presentó un PCS de 29,45 MJ/kg y el análisis inmediato realizado arrojó 74,8% de carbono fijo. El análisis elemental del bio-char indicó 0,64% de N, 75,75% de C, 3,47% de H y 20,14% de O. A partir de estos resultados es posible verificar que el bio-char es un combustible más estable, pero con propiedades energéticas inferiores a las del producto líquido. El producto líquido de pirólisis presenta un mayor valor añadido, sin embargo, las características físicas revelan la necesidad de refinarlo para su posterior uso en calderas y hornos industriales.
Ficorremediacion de purín vacuno y suero de quesería como alternativa simple de tratamiento de efluentes para pequeños productores queseros
(2021-05-12) Cuello, María Carolina; Pila, Andrea Natalia; Chamorro, Ester R.
El tratamiento de efluentes agroindustriales a base de microalgas puede potencialmente lograr más eficiencia con menores costos de gestión que los procesos convencionales en las industrias lácteas pequeñas y medianas, donde no se encuentran implementados tratamientos de aguas residuales. El presente estudio analizó el desempeño en mesocosmos de Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa en mezclas de Purín Vacuno (PV) y el Suero Ácido de Queso (SAQ). Los resultados reportados aquí indican no solamente que es posible tratarlos con microalgas sino que la combinación de ambos efluentes permite superar los principales obstáculos reportados para el tratamiento de cada uno de estos dos efluentes por separado. El mejor resultado lo obtuvo Scenedesmus dimorphus en una mezcla del 50% de cada uno de los efluentes mencionados, eliminando el 90% de P-PO4, el 96% de N-NO3 y el 70% de N-NH4, dominando el cultivo en todo momento.
Microalgae lipid extraction : a novel lab-scale method within a biorefinery approach (fractioning)
(2022-12-09) Pila, Andrea Natalia; Cuello, María Carolina; Schmitd, Roberto Martín; Chamorro, Ester R.
La extracción y fraccionamiento de lípidos de microalgas ha sido objeto de estudio recurrente debido al valor de mercado de ciertas familias de lípidos (carotenoides y xantofilas) y la oportunidad que representan los aceites de microalgas para la obtención de biocombustibles. La mayoría de los métodos desarrollados para la extracción total de lípidos de microalgas requieren una posterior separación de las diferentes familias (lípidos neutros, lípidos polares) a cuantificar. Además, la mayoría de ellos utilizan disolventes tóxicos y caros. En el presente estudio, se probaron solventes menos tóxicos que son ampliamente utiliza dos en la industria, como hexano, acetona y etanol, en diferentes órdenes para la extracción de biomasa de microalgas de distinta composición y contenido de lípidos (es decir, tres niveles diferentes de estrés nutricional). También se presenta una comparación de los métodos propuestos por Bligh y Dyer, Folch y Hara y Radin. El nuevo método logra la extracción de lípidos totales de microalgas y la separación de las familias de lípidos simultáneamente.
Microcápsulas conteniendo aceite esencial de pomelo y su aplicación en alimentos
(2022-09-07) Cáceres, Liliana Mariel; Dagnino, Eliana Paola; Chamorro, Ester R.
Los aceites esenciales presentan propiedades que los hacen excelentes aditivos alimentarios aportando sabores y aromas en todo tipo de alimentos. Sin embargo, estos compuestos presentan alta volatilidad e inestabilidad química en presencia de aire, luz, humedad y altas temperaturas. Una forma de limitar la degradación o pérdida de aroma durante el procesamiento y almacenamiento es la encapsulación de estos compuestos incorporando una matriz polimérica que lo proteja y forme un ambiente capaz de controlar su interacción con el exterior. El alginato es uno de los hidrocoloides más utilizado como polímero de pared con propiedades que incluyen espesamiento, estabilización, suspensión, formación de película y de gel. Asimismo, experimenta una transición de sol-gel independiente de la temperatura en presencia de cationes multivalentes aprovechada en el proceso de gelificación iónica, donde se reticula el hidrogel con una solución del cloruro de calcio. El objetivo de este estudio fue obtener microcápsulas secas de aceite esencial de pomelo al 2% y al 10% p/p en matrices de alginato de calcio por gelificación iónica externa y extrusión. Se obtuvieron rendimientos alrededor del 50% y una eficiencia superior al 90%. Se aplicó un secado al vacío y se midieron sus liberaciones controladas del aceite esencial contenido en medio alcohólico, manteniendo su liberación durante 10 días aproximadamente. Por último, se emplearon ambas microcápsulas en dos alimentos: masitas y bombones de chocolate, se realizó un análisis sensorial y se analizaron los resultados utilizando la prueba de rangos de Friedman para la concentración de sabor y la preferencia en la degustación.
Microencapsulacion de aceite esencial de pomelo en matriz de alginato con agregado de lignina y silice
(2021-10-04) Cáceres, Liliana Mariel; Velasco, Gustavo Adolfo; Dagnino, Eliana Paola; Chamorro, Ester R.
En la actualidad es de suma importancia el uso de tecnologías limpias, como así también, el aprovechamiento de subproductos y residuos industriales. El objetivo de este trabajo es la microencapsulación de aceite esencial de pomelo, subproducto del proceso de elaboración de jugos, en matriz de alginato de sodio por extrusión y gelificación iónica externa, con el agregado de sílice y lignina, componentes de la cáscara de arroz (residuo agrícola en Argentina). Las pruebas fueron realizadas agregando, a la matriz de alginato la lignina (0,2; 0,5 y 0,8% p/p) y sílice (0,5; 0,8 y 1,0% p/p) en forma independiente. El aceite esencial fue ensayado al 2% y la extrusión se realizó con bomba jeringa para la formación de las microcápsulas. El análisis se llevó a cabo por espectrometría UV y cromatografía gaseosa. Los mejores rendimientos fueron 67% con lignina al 0,8%, y 58% con sílice al 1,0%, observándose diferencias significativas. No se observaron diferencias significativas en las eficiencias (99% con lignina y 97% con sílice). La liberación controlada máxima con lignina se da a los 5 días y con sílice a los 15 días. La microscopía óptica y SEM muestran que las microcápsulas son esféricas, con diámetros de hasta 2 mm con una red pareja de reticulación. Se logró una mejora en el rendimiento y la liberación controlada del compuesto activo. Esta propuesta brinda una solución al problema de conservación y manipulación del principio activo y una opción para empresas que promuevan una producción con residuo cero.
Microencapsulation of grapefruit oil with sodium alginate by gelation and ionic extrusion : optimization and modeling of crosslinking and study of controlled release kinetics
(2020-09-03) Cáceres, Liliana Mariel; Velasco, Gustavo Adolfo; Dagnino, Eliana Paola; Chamorro, Ester R.
El aceite esencial de pomelo con alto conteniendo de limoneno tiene aplicaciones en la industria alimenticia, cosmética y farmacéutica debido a sus propiedades antimicrobianas, su aroma y sabor. Para facilitar su manipulación y protegerlo de los agentes ambientales ex-ternos se lo microencapsula. El objetivo de este trabajo fue optimizar el proceso de microen-capsulación del aceite esencial de pomelo utilizando gelificación iónica externa acoplada a extrusión con alginato de sodio y cloruro de calcio. Los mejores resultados de encapsulación se obtuvieron con una concentración de cloruro de calcio de 7,4% p / v y un tiempo de reti-culación de 58 minutos, obteniendo un rendimiento del 62% y una eficiencia del 100% con una capacidad de carga de aceite del 10% p / p. Se estudió la adsorción química de calcio en el proceso de reticulación observando un ajuste significativo con la ecuación de Elovich, y se obtuvo el ajuste de la liberación controlada del aceite esencial con el modelo cinético empírico de Korsmeyer y Peppas.
Modelado matemático de la cinética de la reacción de transesterificación y prospección probabilística de la composición de lípidos saponificables en aceites vegetales
(2017-03-01) Sequeira, Alfredo Fabián; Cáceres, Liliana Mariel; Gauna, Cristian M.; Morales, Walter G.; Chamorro, Ester R.
El Biodiesel, es un Biocombustible que constituye una realidad cotidiana para un sin número de productores radicados en la Argentina, especialmente en aquellas áreas Agroindustriales que sufren la falta de combustibles fósiles, localizadas, particularmente, en la región Nordeste del país. Los resultados reportados en este trabajo permiten concluir que se han establecido correctamente los lineamientos básicos para el Modelado Matemático de la Cinética de la Reacción de Transesterificación a fin de utilizarlos en el Software Matlab y que se ha desarrollado de manera adecuada la Prospección Probabilística de la composición de lípidos saponificables en Aceites Vegetales. Con estos resultados se considera viable el desarrollo de la Simulación de la Reacción de Transesterificación de lípidos saponificables en Aceites Vegetales.

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