Combustible de algas
Uso de algas como fuente de aceites ricos en energía

Un matraz cónico de combustible para aviones "verde" elaborado a partir de algas

El combustible de algas , el biocombustible de algas o el aceite de algas es una alternativa a los combustibles fósiles líquidos que utilizan algas como fuente de aceites ricos en energía. Además, los combustibles de algas son una alternativa a las fuentes de biocombustibles comúnmente conocidas, como el maíz y la caña de azúcar. [1] [2] Cuando se elabora a partir de algas marinas (macroalgas), se lo puede conocer como combustible de algas marinas o aceite de algas marinas .

Historia

En 1942, Harder y Von Witsch fueron los primeros en proponer que las microalgas se cultivaran como fuente de lípidos para alimentos o combustible. [3] [4] Después de la Segunda Guerra Mundial, comenzaron las investigaciones en los EE. UU. [5] [6] [7] Alemania, [8] Japón, [9] Inglaterra, [10] e Israel [11] sobre técnicas de cultivo y sistemas de ingeniería para cultivar microalgas a mayor escala, particularmente especies del género Chlorella . Mientras tanto, HG Aach demostró que Chlorella pyrenoidosa podía ser inducida a través de la inanición de nitrógeno para acumular hasta un 70% de su peso seco como lípidos. [12] Dado que la necesidad de combustible alternativo para el transporte había disminuido después de la Segunda Guerra Mundial, la investigación en este momento se centró en el cultivo de algas como fuente de alimento o, en algunos casos, para el tratamiento de aguas residuales. [13]

El interés en la aplicación de algas para biocombustibles se reavivó durante el embargo de petróleo y las subidas de precios del petróleo de la década de 1970, lo que llevó al Departamento de Energía de los EE. UU. a iniciar el Programa de Especies Acuáticas en 1978. [14] El Programa de Especies Acuáticas gastó 25 millones de dólares durante 18 años con el objetivo de desarrollar combustible líquido para el transporte a partir de algas que fuera competitivo en precio con los combustibles derivados del petróleo. [15] El programa de investigación se centró en el cultivo de microalgas en estanques abiertos al aire libre, sistemas que son de bajo costo pero vulnerables a perturbaciones ambientales como cambios bruscos de temperatura e invasiones biológicas. Se recolectaron 3000 cepas de algas de todo el país y se seleccionaron para propiedades deseables como alta productividad, contenido de lípidos y tolerancia térmica, y las cepas más prometedoras se incluyeron en la colección de microalgas SERI en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) en Golden, Colorado y se utilizaron para futuras investigaciones. [15] Entre los hallazgos más significativos del programa se encontraba que el crecimiento rápido y la alta producción de lípidos eran "mutuamente excluyentes", ya que el primero requería altos niveles de nutrientes y el segundo, bajos niveles de nutrientes. [15] El informe final sugirió que la ingeniería genética podría ser necesaria para poder superar esta y otras limitaciones naturales de las cepas de algas, y que las especies ideales podrían variar según el lugar y la estación. [15] Aunque se demostró con éxito que la producción a gran escala de algas para combustible en estanques al aire libre era factible, el programa no logró hacerlo a un costo que fuera competitivo con el petróleo, especialmente cuando los precios del petróleo se hundieron en la década de 1990. Incluso en el mejor de los casos, se estimó que el aceite de algas sin extraer costaría entre 59 y 186 dólares por barril, [15] mientras que el petróleo costaba menos de 20 dólares por barril en 1995. [14] Por lo tanto, bajo presión presupuestaria en 1996, el Programa de Especies Acuáticas fue abandonado. [15]

Otras contribuciones a la investigación sobre biocombustibles de algas han surgido indirectamente de proyectos centrados en diferentes aplicaciones de cultivos de algas. Por ejemplo, en la década de 1990, el Instituto de Investigación de Tecnología Innovadora para la Tierra (RITE) de Japón implementó un programa de investigación con el objetivo de desarrollar sistemas para fijar el CO
2utilizando microalgas. [16] Aunque el objetivo no era la producción de energía, varios estudios realizados por RITE demostraron que las algas podrían cultivarse utilizando los gases de combustión de las centrales eléctricas como CO
2Fuente, [17] [18] un avance importante para la investigación de biocombustibles a partir de algas. Otros trabajos centrados en la recolección de gas hidrógeno, metano o etanol a partir de algas, así como suplementos nutricionales y compuestos farmacéuticos, también han ayudado a informar la investigación sobre la producción de biocombustibles a partir de algas. [13]

Tras la disolución del Programa de Especies Acuáticas en 1996, hubo una relativa calma en la investigación sobre biocombustibles de algas. Aun así, varios proyectos fueron financiados en los EE. UU. por el Departamento de Energía , el Departamento de Defensa , la Fundación Nacional de Ciencias , el Departamento de Agricultura , los Laboratorios Nacionales , fondos estatales y fondos privados, así como en otros países. [14] Más recientemente, el aumento de los precios del petróleo en la década de 2000 estimuló un resurgimiento del interés en los biocombustibles de algas y la financiación federal de los EE. UU. ha aumentado, [14] se están financiando numerosos proyectos de investigación en Australia, Nueva Zelanda, Europa, Oriente Medio y otras partes del mundo. [19]

En diciembre de 2022, ExxonMobil , la última gran empresa petrolera que invirtió en biocombustibles de algas, puso fin a su financiación de la investigación. [20]

En marzo de 2023, los investigadores afirmaron que la comercialización de biocombustibles requeriría una financiación de varios miles de millones de dólares, además de una dedicación a largo plazo para superar lo que parecen ser limitaciones biológicas fundamentales de los organismos silvestres. La mayoría de los investigadores creen que la producción a gran escala de biocombustibles está "a una década, o más probablemente a dos décadas de distancia". [20]

Complementación alimentaria

El aceite de algas se utiliza como fuente de suplementación de ácidos grasos en productos alimenticios, ya que contiene grasas monoinsaturadas y poliinsaturadas , en particular EPA y DHA . [21] Su contenido de DHA es aproximadamente equivalente al del aceite de pescado a base de salmón . [22] [23]

Combustibles

Las algas se pueden convertir en varios tipos de combustibles, dependiendo de las tecnologías de producción y la parte de las células utilizadas. La parte lipídica o aceitosa de la biomasa de las algas se puede extraer y convertir en biodiésel mediante un proceso similar al utilizado para cualquier otro aceite vegetal, o se puede convertir en una refinería en sustitutos directos de los combustibles derivados del petróleo. Alternativamente o después de la extracción de lípidos, el contenido de carbohidratos de las algas se puede fermentar para producir bioetanol o butanol como combustible . [24]

Biodiésel

El biodiesel es un combustible diésel derivado de lípidos animales o vegetales (aceites y grasas). Los estudios han demostrado que algunas especies de algas pueden producir el 60% o más de su peso seco en forma de aceite. [12] [15] [25] [26] [27] Debido a que las células crecen en suspensión acuosa, donde tienen un acceso más eficiente al agua, el CO
2y nutrientes disueltos, las microalgas son capaces de producir grandes cantidades de biomasa y aceite utilizable en estanques de algas de alta tasa [28] o fotobiorreactores . Este aceite puede luego convertirse en biodiesel que podría venderse para su uso en automóviles. La producción regional de microalgas y su procesamiento en biocombustibles proporcionará beneficios económicos a las comunidades rurales. [29]

Como no tienen que producir compuestos estructurales como celulosa para hojas, tallos o raíces, y debido a que pueden crecer flotando en un medio nutritivo rico, las microalgas pueden tener tasas de crecimiento más rápidas que los cultivos terrestres. Además, pueden convertir una fracción mucho mayor de su biomasa en aceite que los cultivos convencionales, por ejemplo, 60% frente al 2-3% de la soja. [25] Se estima que el rendimiento por unidad de superficie del aceite de las algas es de 58.700 a 136.900 L/ha/año, dependiendo del contenido de lípidos, que es de 10 a 23 veces más alto que el siguiente cultivo de mayor rendimiento, la palma aceitera, con 5.950 L/ha/año. [30]

El Programa de Especies Acuáticas del Departamento de Energía de los Estados Unidos , 1978-1996, se centró en el biodiésel de microalgas. El informe final sugirió que el biodiésel podría ser el único método viable para producir suficiente combustible para reemplazar el uso actual de diésel en el mundo. [31] Si el biodiésel derivado de las algas reemplazara la producción mundial anual de 1.100 millones de toneladas de diésel convencional, se necesitaría una superficie terrestre de 57,3 millones de hectáreas, lo que sería muy favorable en comparación con otros biocombustibles. [32]

Biobutanol

El butanol se puede fabricar a partir de algas o diatomeas utilizando únicamente una biorrefinería alimentada por energía solar . Este combustible tiene una densidad energética un 10% menor que la de la gasolina y mayor que la del etanol o el metanol . En la mayoría de los motores de gasolina, se puede utilizar butanol en lugar de gasolina sin modificaciones. En varias pruebas, el consumo de butanol es similar al de la gasolina y, cuando se mezcla con gasolina, proporciona un mejor rendimiento y resistencia a la corrosión que el etanol o el E85 . [33]

Los residuos verdes que quedan de la extracción del aceite de algas se pueden utilizar para producir butanol. Además, se ha demostrado que las macroalgas (algas marinas) pueden ser fermentadas por bacterias del género Clostridia para producir butanol y otros solventes. [34] La transesterificación del aceite de algas (en biodiesel) también es posible con especies como Chaetomorpha linum , Ulva lactuca y Enteromorpha compressa ( Ulva ). [35]

Se están investigando las siguientes especies como especies adecuadas a partir de las cuales producir etanol y/o butanol : [36]

Biogasolina

La biogasolina es una gasolina producida a partir de biomasa . Al igual que la gasolina producida tradicionalmente, contiene entre 6 ( hexano ) y 12 ( dodecano ) átomos de carbono por molécula y puede utilizarse en motores de combustión interna . [38]

Biogás

El biogás se compone principalmente de metano ( CH4 ) y dióxido de carbono (CO2 ) , con algunas trazas de sulfuro de hidrógeno , oxígeno, nitrógeno e hidrógeno . Las macroalgas tienen una alta tasa de producción de metano en comparación con la biomasa vegetal. La producción de biogás a partir de macroalgas es técnicamente más viable en comparación con otros combustibles, pero no es económicamente viable debido al alto costo de la materia prima de las macroalgas. [39] Los carbohidratos y las proteínas en las microalgas se pueden convertir en biogás a través de la digestión anaeróbica, que incluye pasos de hidrólisis, fermentación y metanogénesis. La conversión de biomasa de algas en metano puede potencialmente recuperar tanta energía como se obtiene, pero es más rentable cuando el contenido de lípidos de las algas es inferior al 40%. [40] La producción de biogás a partir de microalgas es relativamente baja debido a la alta proporción de proteínas en las microalgas, pero las microalgas se pueden co-digerir con productos de alta relación C/N como el papel usado. [41] Otro método para producir biogás es mediante la gasificación, en la que el hidrocarburo se convierte en gas de síntesis mediante una reacción de oxidación parcial a alta temperatura (normalmente de 800 °C a 1000 °C). La gasificación se realiza habitualmente con catalizadores. La gasificación no catalizada requiere una temperatura de unos 1300 °C. El gas de síntesis se puede quemar directamente para producir energía o utilizarse como combustible en motores de turbina. También se puede utilizar como materia prima para otras producciones químicas. [42]

Metano

El metano , [43] el componente principal del gas natural , se puede producir a partir de algas mediante varios métodos, a saber, gasificación , pirólisis y digestión anaeróbica . En los métodos de gasificación y pirólisis, el metano se extrae a alta temperatura y presión. La digestión anaeróbica [44] es un método sencillo que implica la descomposición de las algas en componentes simples y luego su transformación en ácidos grasos utilizando microbios como bacterias acidogénicas seguidas de la eliminación de cualquier partícula sólida y finalmente la adición de arqueas metanogénicas para liberar una mezcla de gases que contiene metano. Varios estudios han demostrado con éxito que la biomasa de las microalgas se puede convertir en biogás mediante la digestión anaeróbica. [45] [46] [47] [48] [49] Por lo tanto, para mejorar el balance energético general de las operaciones de cultivo de microalgas, se ha propuesto recuperar la energía contenida en la biomasa residual mediante la digestión anaeróbica en metano para generar electricidad. [50]

Etanol

El sistema Algenol que comercializa BioFields en Puerto Libertad , Sonora , México, utiliza agua de mar y gases de escape industriales para producir etanol. Porphyridium cruentum también ha demostrado ser potencialmente adecuado para la producción de etanol debido a su capacidad para acumular grandes cantidades de carbohidratos. [51]

Diésel verde

Las algas se pueden utilizar para producir " diésel verde " (también conocido como diésel renovable, aceite vegetal hidrotratado [52] o diésel renovable derivado del hidrógeno) [53] a través de un proceso de refinería de hidrotratamiento que descompone las moléculas en cadenas de hidrocarburos más cortas utilizadas en motores diésel . [52] [54] Tiene las mismas propiedades químicas que el diésel derivado del petróleo [52], lo que significa que no requiere nuevos motores, tuberías o infraestructura para distribuirlo y usarlo. Aún no se ha producido a un costo que sea competitivo con el petróleo . [53] Si bien el hidrotratamiento es actualmente la vía más común para producir hidrocarburos similares a combustibles mediante descarboxilación/descarbonilación, existe un proceso alternativo que ofrece una serie de ventajas importantes sobre el hidrotratamiento. En este sentido, el trabajo de Crocker et al. [55] y Lercher et al. [56] es particularmente digno de mención. Para la refinación de petróleo, se están realizando investigaciones para la conversión catalítica de combustibles renovables por descarboxilación . [57] Como el oxígeno está presente en el petróleo crudo en niveles bastante bajos, del orden del 0,5%, la desoxigenación en la refinación del petróleo no es de gran preocupación y no existen catalizadores específicamente formulados para el hidrotratamiento de oxigenantes. Por lo tanto, uno de los desafíos técnicos críticos para hacer que el proceso de hidrodesoxigenación del aceite de algas sea económicamente viable está relacionado con la investigación y el desarrollo de catalizadores efectivos. [58] [59]

Combustible para aviones

Lufthansa y Virgin Atlantic ya realizaron ensayos con algas como biocombustible en 2008, aunque hay pocas pruebas de que el uso de algas sea una fuente razonable de biocombustibles para aviones. [60] En 2015, se estaba investigando el cultivo de ésteres metílicos de ácidos grasos y alquenonas a partir de las algas Isochrysis como posible materia prima para biocombustibles para aviones . [61]

Recolector de energía a base de algas

En mayo de 2022, los científicos de la Universidad de Cambridge anunciaron que habían creado un recolector de energía de algas que utiliza la luz solar natural para alimentar un pequeño microprocesador , que inicialmente alimenta el procesador durante seis meses y luego sigue funcionando durante un año completo. El dispositivo, que tiene aproximadamente el tamaño de una pila AA , es un pequeño recipiente con agua y algas verdeazuladas. El dispositivo no genera una gran cantidad de energía, pero se puede utilizar para dispositivos de Internet de las cosas , eliminando la necesidad de baterías tradicionales como las de iones de litio. El objetivo es tener una fuente de energía más respetuosa con el medio ambiente que se pueda utilizar en áreas remotas. [62]

Especies

La investigación sobre algas para la producción masiva de aceite se centra principalmente en las microalgas (organismos capaces de realizar la fotosíntesis que tienen un diámetro inferior a 0,4 mm, incluidas las diatomeas y las cianobacterias ) en lugar de las macroalgas, como las algas marinas . La preferencia por las microalgas se debe en gran medida a su estructura menos compleja, sus rápidas tasas de crecimiento y su alto contenido de aceite (para algunas especies). Sin embargo, se están realizando algunas investigaciones sobre el uso de algas marinas para biocombustibles, probablemente debido a la alta disponibilidad de este recurso. [63] [64]

A partir de 2012, [actualizar]investigadores de varios lugares del mundo comenzaron a investigar las siguientes especies por su idoneidad como productores masivos de aceite: [65] [66] [67]

La cantidad de aceite que produce cada cepa de alga varía ampliamente. Observe las siguientes microalgas y sus diferentes producciones de aceite:

Además, debido a su alta tasa de crecimiento, Ulva [71] ha sido investigada como combustible para su uso en el ciclo SOFT (SOFT significa Solar Oxygen Fuel Turbine), un sistema de generación de energía de ciclo cerrado adecuado para su uso en regiones áridas y subtropicales. [72]

Otras especies utilizadas incluyen Clostridium saccharoperbutylacetonicum , [73] Sargassum , Gracilaria , Prymnesium parvum y Euglena gracilis . [74]

Nutrientes y aportes de crecimiento

La luz es lo que las algas necesitan principalmente para crecer, ya que es el factor más limitante. Muchas empresas están invirtiendo en el desarrollo de sistemas y tecnologías para proporcionar luz artificial. Una de ellas es OriginOil, que ha desarrollado un Helix BioReactorTM que cuenta con un eje vertical giratorio con luces de bajo consumo dispuestas en forma de hélice. [75] La temperatura del agua también influye en las tasas metabólicas y reproductivas de las algas. Aunque la mayoría de las algas crecen a un ritmo lento cuando la temperatura del agua baja, la biomasa de las comunidades de algas puede aumentar debido a la ausencia de organismos de pastoreo. [75] Los modestos aumentos en la velocidad de la corriente de agua también pueden afectar las tasas de crecimiento de las algas, ya que la tasa de absorción de nutrientes y la difusión de la capa límite aumentan con la velocidad de la corriente. [75]

Además de la luz y el agua, el fósforo, el nitrógeno y ciertos micronutrientes también son útiles y esenciales para el crecimiento de las algas. El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes más importantes necesarios para la productividad de las algas, pero también se requieren otros nutrientes como el carbono y el sílice. [76] De los nutrientes necesarios, el fósforo es uno de los más esenciales, ya que se utiliza en numerosos procesos metabólicos. Se analizó la microalga D. tertiolecta para ver qué nutriente afecta más a su crecimiento. [77] Las concentraciones de fósforo (P), hierro (Fe), cobalto (Co), zinc (Zn), manganeso (Mn) y molibdeno (Mo), magnesio (Mg), calcio (Ca), silicio (Si) y azufre (S) se midieron diariamente mediante análisis de plasma acoplado inductivamente (ICP). Entre todos estos elementos medidos, el fósforo resultó en la disminución más dramática, con una reducción del 84% a lo largo del cultivo. [77] Este resultado indica que el fósforo, en forma de fosfato, es requerido en grandes cantidades por todos los organismos para su metabolismo.

Existen dos medios de enriquecimiento que se han utilizado ampliamente para el cultivo de la mayoría de las especies de algas: el medio Walne y el medio Guillard F/ 2 . [78] Estas soluciones nutritivas disponibles comercialmente pueden reducir el tiempo de preparación de todos los nutrientes necesarios para el cultivo de algas. Sin embargo, debido a su complejidad en el proceso de generación y su alto costo, no se utilizan para operaciones de cultivo a gran escala. [78] Por lo tanto, los medios de enriquecimiento utilizados para la producción masiva de algas contienen solo los nutrientes más importantes con fertilizantes de grado agrícola en lugar de fertilizantes de grado de laboratorio. [78]

Cultivo

Fotobiorreactor a partir de tubos de vidrio
Diseño de un estanque abierto de canalización comúnmente utilizado para el cultivo de algas

Las algas crecen mucho más rápido que los cultivos alimentarios y pueden producir cientos de veces más aceite por unidad de área que los cultivos convencionales como la colza, la palma, la soja o la jatropha . [30] Como las algas tienen un ciclo de cosecha de 1 a 10 días, su cultivo permite varias cosechas en un período de tiempo muy corto, una estrategia diferente a la asociada con los cultivos anuales. [26] Además, las algas se pueden cultivar en tierras no aptas para cultivos terrestres, incluidas las tierras áridas y las tierras con suelo excesivamente salino, lo que minimiza la competencia con la agricultura. [79] La mayoría de las investigaciones sobre el cultivo de algas se han centrado en el cultivo de algas en fotobiorreactores limpios pero costosos , o en estanques abiertos, que son baratos de mantener pero propensos a la contaminación. [80]

Sistema de circuito cerrado

La falta de equipos y estructuras necesarios para comenzar a cultivar algas en grandes cantidades ha impedido la producción masiva y generalizada de algas para la producción de biocombustibles. El objetivo es aprovechar al máximo los procesos y equipos agrícolas existentes. [81]

Los sistemas cerrados (no expuestos al aire libre) evitan el problema de la contaminación por otros organismos introducidos por el aire. El problema de un sistema cerrado es encontrar una fuente barata de CO estéril.
2Varios experimentadores han descubierto que el CO
2El cultivo de algas a partir de una chimenea funciona bien para el cultivo de algas. [82] [83] Por razones de economía, algunos expertos piensan que el cultivo de algas para biocombustibles tendrá que realizarse como parte de la cogeneración , donde puede aprovechar el calor residual y ayudar a absorber la contaminación. [84]

Para producir microalgas a gran escala en un entorno controlado utilizando el sistema PBR, se deben considerar cuidadosamente estrategias como guías de luz, rociadores y materiales de construcción PBR necesarios. [85]

Fotobiorreactores

La mayoría de las empresas que utilizan algas como fuente de biocombustibles bombean agua rica en nutrientes a través de tubos de plástico o de vidrio de borosilicato (llamados " biorreactores ") que están expuestos a la luz solar (y los llamados fotobiorreactores o PBR). [86]

Operar un PBR es más difícil que usar un estanque abierto y más costoso, pero puede proporcionar un mayor nivel de control y productividad. [26] Además, un fotobiorreactor se puede integrar en un sistema de cogeneración de circuito cerrado mucho más fácilmente que los estanques u otros métodos.

Estanque abierto

Los sistemas de estanques abiertos consisten en estanques simples bajo tierra, que a menudo se mezclan mediante una rueda de paletas. Estos sistemas tienen bajos requisitos de energía, costos operativos y costos de capital en comparación con los sistemas de fotobiorreactor de circuito cerrado. [87] [86] Casi todos los productores comerciales de algas para productos de algas de alto valor utilizan sistemas de estanques abiertos. [88]

Depurador de césped

Sistema ATS de 2,5 acres, instalado por Hydromentia en un arroyo agrícola en Florida

El depurador de algas es un sistema diseñado principalmente para limpiar nutrientes y contaminantes del agua mediante césped de algas. Un depurador de césped de algas (ATS) imita el césped de algas de un arrecife de coral natural al tomar agua rica en nutrientes de corrientes de desechos o fuentes de agua naturales y hacerla pasar sobre una superficie inclinada. [89] Esta superficie está recubierta con una membrana de plástico rugosa o una pantalla, que permite que las esporas de algas naturales se asienten y colonicen la superficie. Una vez que las algas se han establecido, se pueden cosechar cada 5 a 15 días, [90] y pueden producir 18 toneladas métricas de biomasa de algas por hectárea por año. [91] A diferencia de otros métodos, que se centran principalmente en una sola especie de alga de alto rendimiento, este método se centra en policultivos de algas naturales. Como tal, el contenido de lípidos de las algas en un sistema ATS suele ser menor, lo que lo hace más adecuado para un producto de combustible fermentado, como etanol, metano o butanol. [91] Por el contrario, las algas cosechadas podrían ser tratadas con un proceso de licuefacción hidrotermal , lo que haría posible la producción de biodiesel, gasolina y combustible para aviones. [92]

Existen tres ventajas principales de los sistemas ATS sobre otros sistemas. La primera ventaja es la mayor productividad documentada sobre los sistemas de estanques abiertos. [93] La segunda es el menor costo operativo y de producción de combustible. La tercera es la eliminación de problemas de contaminación debido a la dependencia de especies de algas naturales. Los costos proyectados para la producción de energía en un sistema ATS son de $0,75/kg, en comparación con un fotobiorreactor que costaría $3,50/kg. [91] Además, debido al hecho de que el propósito principal de los ATS es eliminar nutrientes y contaminantes del agua, y se ha demostrado que estos costos son más bajos que otros métodos de eliminación de nutrientes, esto puede incentivar el uso de esta tecnología para la eliminación de nutrientes como función principal, con la producción de biocombustible como un beneficio adicional. [94]

Algas recolectadas y secadas en un sistema ATS

Producción de combustible

Después de cosechar las algas, la biomasa se procesa típicamente en una serie de pasos, que pueden diferir según la especie y el producto deseado; este es un área activa de investigación [26] y también es el cuello de botella de esta tecnología: el costo de extracción es más alto que el obtenido. Una de las soluciones es utilizar animales filtradores para "comérselas". Los animales mejorados pueden proporcionar tanto alimentos como combustibles. Un método alternativo para extraer las algas es cultivarlas con tipos específicos de hongos. Esto provoca la biofloculación de las algas, lo que permite una extracción más fácil. [95]

Deshidración

A menudo, las algas se deshidratan y luego se utiliza un disolvente como el hexano para extraer compuestos ricos en energía como los triglicéridos del material seco. [1] [96] Luego, los compuestos extraídos se pueden procesar para convertirlos en combustible utilizando procedimientos industriales estándar. Por ejemplo, los triglicéridos extraídos se hacen reaccionar con metanol para crear biodiésel mediante transesterificación . [1] La composición única de ácidos grasos de cada especie influye en la calidad del biodiésel resultante y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta al seleccionar especies de algas para la materia prima. [26]

Licuefacción hidrotermal

Un enfoque alternativo llamado licuefacción hidrotermal emplea un proceso continuo que somete las algas húmedas cosechadas a altas temperaturas y presiones: 350 °C (662 °F) y 3000 libras por pulgada cuadrada (21 000 kPa). [97] [98] [99]

Los productos incluyen petróleo crudo, que puede refinarse aún más para obtener combustible de aviación, gasolina o combustible diésel mediante uno o varios procesos de mejora. [100] El proceso de prueba convirtió entre el 50 y el 70 por ciento del carbono de las algas en combustible. Otros productos incluyen agua limpia, gas combustible y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio. [97]

Nutrientes

Los nutrientes como el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K) son importantes para el crecimiento de las plantas y son partes esenciales de los fertilizantes. El sílice y el hierro, así como varios oligoelementos, también pueden considerarse nutrientes marinos importantes, ya que la falta de uno de ellos puede limitar el crecimiento o la productividad de una zona. [101]

Dióxido de carbono

CO burbujeante
2Los sistemas de cultivo de algas pueden aumentar considerablemente la productividad y el rendimiento (hasta un punto de saturación). Normalmente, se eliminan alrededor de 1,8 toneladas de CO
2se utilizará por tonelada de biomasa de algas (seca) producida, aunque esto varía según la especie de alga. [102] La destilería Glenturret en Perthshire percola CO
2Se obtiene durante la destilación del whisky a través de un biorreactor de microalgas. Cada tonelada de microalgas absorbe dos toneladas de CO
2La empresa Scottish Bioenergy, que dirige el proyecto, vende las microalgas como alimento de alto valor y rico en proteínas para la pesca . En el futuro, utilizarán los residuos de las algas para producir energía renovable mediante digestión anaeróbica . [103]

Nitrógeno

El nitrógeno es un sustrato valioso que se puede utilizar en el crecimiento de las algas. Se pueden utilizar varias fuentes de nitrógeno como nutriente para las algas, con distintas capacidades. Se descubrió que el nitrato era la fuente preferida de nitrógeno, en lo que respecta a la cantidad de biomasa cultivada. La urea es una fuente fácilmente disponible que muestra resultados comparables, lo que la convierte en un sustituto económico de la fuente de nitrógeno en el cultivo de algas a gran escala. [104] A pesar del claro aumento en el crecimiento en comparación con un medio sin nitrógeno, se ha demostrado que las alteraciones en los niveles de nitrógeno afectan el contenido de lípidos dentro de las células de las algas. En un estudio [105] la privación de nitrógeno durante 72 horas provocó que el contenido total de ácidos grasos (por célula) aumentara 2,4 veces. El 65% de los ácidos grasos totales se esterificaron a triacilglicéridos en cuerpos oleosos, en comparación con el cultivo inicial, lo que indica que las células de las algas utilizaron la síntesis de novo de ácidos grasos. Es vital que el contenido de lípidos en las células de las algas sea lo suficientemente alto, manteniendo al mismo tiempo tiempos de división celular adecuados, por lo que se están investigando parámetros que puedan maximizar ambos.

Aguas residuales

Una posible fuente de nutrientes son las aguas residuales del tratamiento de aguas residuales, de la agricultura o de las llanuras de inundación, todas ellas importantes contaminantes y riesgos para la salud en la actualidad. Sin embargo, estas aguas residuales no pueden alimentar a las algas directamente y deben ser procesadas primero por bacterias, a través de la digestión anaeróbica . Si las aguas residuales no se procesan antes de que lleguen a las algas, las contaminarán en el reactor y, como mínimo, matarán gran parte de la cepa de algas deseada. En las instalaciones de biogás , los residuos orgánicos a menudo se convierten en una mezcla de dióxido de carbono, metano y fertilizante orgánico. El fertilizante orgánico que sale del digestor es líquido y casi adecuado para el crecimiento de las algas, pero primero debe limpiarse y esterilizarse. [106]

El uso de aguas residuales y agua de mar en lugar de agua dulce es una práctica muy recomendada debido al continuo agotamiento de los recursos de agua dulce. Sin embargo, los metales pesados, los metales traza y otros contaminantes presentes en las aguas residuales pueden reducir la capacidad de las células para producir lípidos biosintéticamente y también afectar a otros mecanismos de la maquinaria celular. Lo mismo ocurre con el agua de mar, pero los contaminantes se encuentran en concentraciones diferentes. Por lo tanto, los fertilizantes de grado agrícola son la fuente preferida de nutrientes, pero los metales pesados ​​vuelven a ser un problema, especialmente para las cepas de algas que son susceptibles a estos metales. En los sistemas de estanques abiertos, el uso de cepas de algas que puedan lidiar con altas concentraciones de metales pesados ​​podría evitar que otros organismos infesten estos sistemas. [79] En algunos casos, incluso se ha demostrado que las cepas de algas pueden eliminar más del 90% del níquel y el zinc de las aguas residuales industriales en períodos de tiempo relativamente cortos. [107]

Impacto ambiental

En comparación con los cultivos de biocombustibles de origen terrestre, como el maíz o la soja, la producción de microalgas da como resultado una huella de tierra mucho menos significativa debido a la mayor productividad de aceite de las microalgas que todos los demás cultivos oleaginosos. [108] Las algas también se pueden cultivar en tierras marginales inútiles para cultivos ordinarios y con bajo valor de conservación, y pueden utilizar agua de acuíferos salinos que no es útil para la agricultura o el consumo. [84] [109] Las algas también pueden crecer en la superficie del océano en bolsas o pantallas flotantes. [110] Por lo tanto, las microalgas podrían proporcionar una fuente de energía limpia con poco impacto en el suministro de alimentos y agua adecuados o la conservación de la biodiversidad. [111] El cultivo de algas tampoco requiere subsidios externos de insecticidas o herbicidas, lo que elimina cualquier riesgo de generar corrientes de desechos de pesticidas asociados. Además, los biocombustibles de algas son mucho menos tóxicos y se degradan mucho más fácilmente que los combustibles basados ​​en petróleo. [112] [113] [114] Sin embargo, debido a la naturaleza inflamable de cualquier combustible, existe el potencial de algunos peligros ambientales si se enciende o se derrama, como puede ocurrir en un descarrilamiento de tren o una fuga de tubería. [115] Este peligro es menor en comparación con los combustibles fósiles , debido a la capacidad de los biocombustibles de algas de producirse de una manera mucho más localizada, y debido a la menor toxicidad en general, pero el peligro sigue existiendo de todos modos. Por lo tanto, los biocombustibles de algas deben tratarse de manera similar a los combustibles de petróleo en el transporte y uso, con suficientes medidas de seguridad en su lugar en todo momento.

Estudios han determinado que reemplazar combustibles fósiles por fuentes de energía renovables, como los biocombustibles, tienen la capacidad de reducir el CO
2emisiones hasta en un 80%. [116] Un sistema basado en algas podría capturar aproximadamente el 80% del CO
2emitidos por una central eléctrica cuando hay luz solar disponible. Aunque este CO
2se liberará posteriormente a la atmósfera cuando se queme el combustible, este CO
2habría entrado en la atmósfera de todos modos. [109] La posibilidad de reducir el CO total
2Por lo tanto, la clave para reducir las emisiones de CO2 radica en prevenir la liberación de CO2.
2a partir de combustibles fósiles. Además, en comparación con combustibles como el diésel y el petróleo, e incluso en comparación con otras fuentes de biocombustibles, la producción y combustión de biocombustibles de algas no produce óxidos de azufre ni óxidos nitrosos, y produce una cantidad reducida de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y una menor emisión de otros contaminantes nocivos. [117] Dado que las fuentes de producción de biocombustibles de plantas terrestres simplemente no tienen la capacidad de producción para satisfacer los requisitos energéticos actuales, las microalgas pueden ser una de las únicas opciones para acercarse a la sustitución completa de los combustibles fósiles.

La producción de microalgas también incluye la capacidad de utilizar residuos salinos o CO2 residual.
2corrientes de agua como fuente de energía. Esto abre una nueva estrategia para producir biocombustible junto con el tratamiento de aguas residuales, al mismo tiempo que se puede producir agua limpia como subproducto. [117] Cuando se utilizan en un biorreactor de microalgas, las microalgas cosechadas capturarán cantidades significativas de compuestos orgánicos, así como contaminantes de metales pesados ​​absorbidos de las corrientes de aguas residuales que de otro modo se descargarían directamente en las aguas superficiales y subterráneas. [108] Además, este proceso también permite la recuperación de fósforo de los desechos, que es un elemento esencial pero escaso en la naturaleza, cuyas reservas se estima que se han agotado en los últimos 50 años. [118] Otra posibilidad es el uso de sistemas de producción de algas para limpiar la contaminación de fuentes no puntuales, en un sistema conocido como depurador de césped de algas (ATS). Se ha demostrado que esto reduce los niveles de nitrógeno y fósforo en ríos y otros grandes cuerpos de agua afectados por la eutrofización, y se están construyendo sistemas que serán capaces de procesar hasta 110 millones de litros de agua por día. Los ATS también se pueden utilizar para tratar la contaminación de fuentes puntuales, como las aguas residuales mencionadas anteriormente, o para tratar los efluentes del ganado. [91] [119] [120]

Policultivos

Casi toda la investigación en biocombustibles de algas se ha centrado en el cultivo de especies individuales, o monocultivos, de microalgas. Sin embargo, la teoría ecológica y los estudios empíricos han demostrado que los policultivos de plantas y algas, es decir, grupos de múltiples especies, tienden a producir mayores rendimientos que los monocultivos. [121] [122] [123] [124] Los experimentos también han demostrado que las comunidades microbianas acuáticas más diversas tienden a ser más estables a lo largo del tiempo que las comunidades menos diversas. [125] [126] [127] [128] Estudios recientes encontraron que los policultivos de microalgas produjeron rendimientos de lípidos significativamente mayores que los monocultivos. [129] [130] Los policultivos también tienden a ser más resistentes a los brotes de plagas y enfermedades, así como a la invasión de otras plantas o algas. [131] Por lo tanto, el cultivo de microalgas en policultivos no solo puede aumentar los rendimientos y la estabilidad de los rendimientos de biocombustibles, sino también reducir el impacto ambiental de una industria de biocombustibles de algas. [111]

Viabilidad económica

Es evidente que existe una demanda de producción sostenible de biocombustibles, pero el uso de un determinado biocombustible no depende en última instancia de la sostenibilidad, sino de la rentabilidad. Por tanto, la investigación se centra en reducir el coste de la producción de biocombustibles a partir de algas hasta el punto en que pueda competir con el petróleo convencional. [26] [132] La producción de varios productos a partir de algas se ha mencionado [ palabras equívocas ] como el factor más importante para que la producción de algas sea económicamente viable. Otros factores son la mejora de la eficiencia de conversión de la energía solar en biomasa (actualmente un 3%, pero teóricamente se puede alcanzar entre un 5 y un 7% [133] ) y la facilitación de la extracción de aceite de las algas. [134]

En un informe de 2007 [26] se derivó una fórmula para estimar el costo del aceite de algas para que fuera un sustituto viable del diésel de petróleo:

C (aceite de algas) = ​​25,9 × 10 −3 C (petróleo)

donde: C (aceite de algas) es el precio del aceite de microalgas en dólares por galón y C (petróleo) es el precio del petróleo crudo en dólares por barril. Esta ecuación supone que el aceite de algas tiene aproximadamente el 80% del valor energético calórico del petróleo crudo. [135]

La IEA estima que la biomasa de algas se puede producir por tan solo $0,54/kg en estanques abiertos en un clima cálido y $10,20/kg en fotobiorreactores en climas más fríos. [136] Suponiendo que la biomasa contiene un 30% de aceite en peso, el costo de la biomasa para proporcionar un litro de aceite sería de aproximadamente $1,40 ($5,30/gal) y $1,81 ($6,85/gal) para fotobiorreactores y canales, respectivamente. Se estima que el aceite recuperado de la biomasa de menor costo producida en fotobiorreactores cuesta $2,80/L, suponiendo que el proceso de recuperación contribuye con el 50% del costo del aceite recuperado final. [26] Si los proyectos de algas existentes pueden alcanzar los objetivos de precio de producción de biodiésel de menos de $1 por galón, Estados Unidos puede alcanzar su objetivo de reemplazar hasta el 20% de los combustibles para el transporte para 2020 utilizando combustibles ambiental y económicamente sostenibles a partir de la producción de algas. [137]

Aunque la industria está abordando con éxito problemas técnicos, como la cosecha, muchos consideran que la elevada inversión inicial en instalaciones para la producción de biocombustibles a partir de algas es un gran obstáculo para el éxito de esta tecnología. Sólo unos pocos estudios sobre la viabilidad económica están disponibles públicamente y, a menudo, hay que basarse en los pocos datos (a menudo sólo estimaciones de ingeniería) disponibles en el dominio público. Dmitrov [138] examinó el fotobiorreactor de GreenFuel y estimó que el aceite de algas sólo sería competitivo a un precio de 800 dólares por barril. Un estudio de Alabi et al. [139] examinó los canales de extracción, los fotobiorreactores y los fermentadores anaeróbicos para producir biocombustibles a partir de algas y descubrió que los fotobiorreactores son demasiado caros para producir biocombustibles. Los canales de extracción pueden resultar rentables en climas cálidos con costes laborales muy bajos, y los fermentadores pueden resultar rentables tras mejoras significativas del proceso. El grupo descubrió que los costos de capital, de mano de obra y de operación (fertilizantes, electricidad, etc.) por sí solos son demasiado altos para que los biocombustibles de algas sean competitivos en costos con los combustibles convencionales. Otros encontraron resultados similares [140] [141] [142], lo que sugiere que, a menos que se encuentren formas nuevas y más económicas de aprovechar las algas para la producción de biocombustibles, su gran potencial técnico puede que nunca llegue a ser económicamente accesible. En 2012, Rodrigo E. Teixeira [143] demostró una nueva reacción y propuso un proceso para cosechar y extraer materias primas para la producción de biocombustibles y productos químicos que requiere una fracción de la energía de los métodos actuales, al tiempo que extrae todos los componentes celulares.

Utilización de subproductos

Muchos de los subproductos generados en el procesamiento de microalgas pueden utilizarse en diversas aplicaciones, muchas de las cuales tienen una historia de producción más larga que el biocombustible de algas. Algunos de los productos que no se utilizan en la producción de biocombustible incluyen colorantes y pigmentos naturales, antioxidantes y otros compuestos bioactivos de alto valor. [80] [144] [145] Estos productos químicos y el exceso de biomasa han encontrado numerosos usos en otras industrias. Por ejemplo, los colorantes y aceites han encontrado un lugar en los cosméticos, comúnmente como agentes espesantes y aglutinantes de agua. [146] Los descubrimientos dentro de la industria farmacéutica incluyen antibióticos y antifúngicos derivados de microalgas, así como productos naturales para la salud, que han ido ganando popularidad en las últimas décadas. Por ejemplo, la espirulina contiene numerosas grasas poliinsaturadas (Omega 3 y 6), aminoácidos y vitaminas, [147] así como pigmentos que pueden ser beneficiosos, como el betacaroteno y la clorofila. [148]

Ventajas

Facilidad de crecimiento

Una de las principales ventajas de utilizar microalgas como materia prima en comparación con cultivos más tradicionales es que se pueden cultivar con mucha más facilidad. [149] Las algas se pueden cultivar en tierras que no se considerarían adecuadas para el crecimiento de los cultivos que se utilizan habitualmente. [80] Además de esto, se ha demostrado que las aguas residuales que normalmente obstaculizarían el crecimiento de las plantas son muy eficaces para el cultivo de algas. [149] Debido a esto, las algas se pueden cultivar sin ocupar tierras cultivables que de otro modo se utilizarían para producir cultivos alimentarios, y los mejores recursos se pueden reservar para la producción normal de cultivos. Las microalgas también requieren menos recursos para crecer y se necesita poca atención, lo que permite que el crecimiento y el cultivo de algas sea un proceso muy pasivo. [80]

Impacto en los alimentos

Muchas materias primas tradicionales para el biodiesel, como el maíz y la palma, también se utilizan como alimento para el ganado en las granjas, así como una valiosa fuente de alimentos para los seres humanos. Debido a esto, su uso como biocombustible reduce la cantidad de alimentos disponibles para ambos, lo que resulta en un aumento del costo tanto de los alimentos como del combustible producido. El uso de algas como fuente de biodiesel puede aliviar este problema de varias maneras. En primer lugar, las algas no se utilizan como fuente primaria de alimentos para los seres humanos, lo que significa que pueden usarse únicamente como combustible y habría poco impacto en la industria alimentaria. [150] En segundo lugar, muchos de los extractos de productos de desecho producidos durante el procesamiento de algas para biocombustible pueden usarse como alimento suficiente para los animales. Esta es una forma eficaz de minimizar los desechos y una alternativa mucho más barata a los alimentos más tradicionales a base de maíz o granos. [151]

Minimización de residuos

El cultivo de algas como fuente de biocombustible también ha demostrado tener numerosos beneficios ambientales y se ha presentado como una alternativa mucho más respetuosa con el medio ambiente que los biocombustibles actuales. Por un lado, es capaz de utilizar el agua de escorrentía contaminada con fertilizantes y otros nutrientes que son un subproducto de la agricultura, como su principal fuente de agua y nutrientes. [149] Debido a esto, evita que esta agua contaminada se mezcle con los lagos y ríos que actualmente suministran nuestra agua potable. Además de esto, el amoníaco, los nitratos y los fosfatos que normalmente harían que el agua no fuera segura en realidad sirven como excelentes nutrientes para las algas, lo que significa que se necesitan menos recursos para cultivarlas. [80] Muchas especies de algas utilizadas en la producción de biodiésel son excelentes biofijadores, lo que significa que pueden eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera para usarlo como una forma de energía para sí mismas. Debido a esto, se han encontrado usos en la industria como una forma de tratar los gases de combustión y reducir las emisiones de GEI. [80]

Desventaja

Alto requerimiento de agua

El proceso de cultivo de microalgas requiere un uso intensivo de agua. Estudios del ciclo de vida estimaron que la producción de 1 litro de biodiésel a base de microalgas requiere entre 607 y 1944 litros de agua. [152] Dicho esto, teóricamente se pueden utilizar abundantes aguas residuales y/o agua de mar , que también contienen diversos nutrientes, para este propósito en lugar de agua dulce.

Viabilidad comercial

El biodiésel de algas es una tecnología relativamente nueva. A pesar de que la investigación comenzó hace más de 30 años, se suspendió a mediados de los años 1990, principalmente debido a la falta de financiación y al costo relativamente bajo del petróleo. [19] Durante los años siguientes, los biocombustibles de algas recibieron poca atención; no fue hasta el pico del gas de principios de los años 2000 que finalmente se revitalizaron en la búsqueda de fuentes de combustible alternativas. [19]

El creciente interés en el cultivo de algas marinas para el secuestro de carbono, la reducción de la eutrofización y la producción de alimentos ha dado lugar a la creación de cultivos comerciales de algas marinas desde 2017. [153] Las reducciones en el costo de cultivo y cosecha, así como el desarrollo de la industria comercial, mejorarán la economía de los biocombustibles de macroalgas. El cambio climático ha creado una proliferación de esteras de macroalgas marrones, que llegan a las costas del Caribe. Actualmente, estas esteras se desechan, pero existe interés en desarrollarlas como materia prima para la producción de biocombustibles. [154]

Estabilidad

El biodiésel producido a partir del procesamiento de microalgas se diferencia de otras formas de biodiésel en el contenido de grasas poliinsaturadas. [149] Las grasas poliinsaturadas son conocidas por su capacidad de retener la fluidez a temperaturas más bajas. Si bien esto puede parecer una ventaja en la producción durante las temperaturas más frías del invierno, las grasas poliinsaturadas dan como resultado una menor estabilidad durante las temperaturas estacionales regulares. [150]

Políticas internacionales

Canadá

Desde la crisis del petróleo de 1975 se han puesto en marcha numerosas políticas para promover el uso de combustibles renovables en los Estados Unidos, Canadá y Europa. En Canadá, entre ellas, la aplicación de impuestos especiales que eximían al propano y al gas natural, que se extendieron al etanol elaborado a partir de biomasa y metanol en 1992. El gobierno federal también anunció su estrategia de combustibles renovables en 2006, que proponía cuatro componentes: aumentar la disponibilidad de combustibles renovables mediante la reglamentación, apoyar la expansión de la producción canadiense de combustibles renovables, ayudar a los agricultores a aprovechar nuevas oportunidades en este sector y acelerar la comercialización de nuevas tecnologías. Estas medidas fueron seguidas rápidamente por las provincias canadienses:

Estados Unidos

Las políticas de los Estados Unidos han incluido una reducción de los subsidios otorgados por los gobiernos federal y estatal a la industria petrolera, que por lo general han incluido 2.840 millones de dólares. Esta cifra es mayor a la que se destina realmente a la industria de los biocombustibles. La medida se debatió en el G20 en Pittsburgh, donde los líderes acordaron que " los subsidios ineficientes a los combustibles fósiles alientan el consumo derrochador, reducen nuestra seguridad energética, impiden la inversión en fuentes limpias y socavan los esfuerzos para enfrentar la amenaza del cambio climático". Si se cumple este compromiso y se eliminan los subsidios, se creará un mercado más justo en el que los biocombustibles de algas puedan competir. En 2010, la Cámara de Representantes de los Estados Unidos aprobó una legislación que buscaba dar a los biocombustibles basados ​​en algas la misma igualdad que a los biocombustibles de celulosa en los programas de crédito fiscal federal. La ley de promoción de combustibles renovables basados ​​en algas (HR 4168) se implementó para dar a los proyectos de biocombustibles acceso a un crédito fiscal de producción de 1,01 dólares por galón y una bonificación por depreciación del 50% para las propiedades de las plantas de biocombustibles. El gobierno de los Estados Unidos también introdujo en 2011 la Ley de Combustible para Mejorar la Seguridad Nacional. Esta política constituye una enmienda a la Ley Federal de Propiedad y Servicios Administrativos de 1949 y a las disposiciones federales de defensa con el fin de ampliar a 15 años el número de años que puede celebrarse un contrato multianual con el Departamento de Defensa (DOD) en el caso de la compra de biocombustibles avanzados. Los programas federales y del DOD suelen estar limitados a un período de cinco años [155].

Otro

La Unión Europea (UE) también ha respondido cuadruplicando los créditos para los biocombustibles de algas de segunda generación, lo que se estableció como una enmienda a las Directivas sobre biocombustibles y calidad de los combustibles [156].

Véase también

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Lectura adicional

  • Instituto Worldwatch (2007). Biocombustibles para el transporte: potencial global e implicaciones para la agricultura y la energía sostenibles en el siglo XXI. Earthscan. ISBN 978-1-84407-422-8.
  • McKay, David JC (3 de noviembre de 2008). Energía sostenible: sin palabrería. 3.5.2. UIT Cambridge Ltd. ISBN 978-0-9544529-3-3.
  • Lane, Jim (18 de abril de 2010). "Salt Water: The Tangy Taste of Energy Freedom". Renewable Energy World . Consultado el 21 de abril de 2010 .
  • Bhatnagar, SK; Atul Saxena; Stefan Kraan, eds. (2011). Biocombustible de algas. Nueva Delhi: Studium Press (India) Pvt. Ltd. ISBN 978-93-8001-244-5.
  • Darzins, Al; Pienkos, Philip; Edye, Les (2010). Estado actual y potencial de la producción de biocombustibles a partir de algas (PDF) . IEA Bioenergy Task 39.
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Combustible de algas .
  • Informe sobre el uso comercial y la producción de aceite de algas
  • Una mirada sobria a los biocombustibles a partir de algas (Biodiesel Magazine)
  • Publicaciones del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE. UU.
  • Estado actual y potencial de la producción de biocombustibles a partir de algas
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