INGENIERIA_BIOLOGICA
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Ingeniería BiológicaRetos del siglo XXI para las Tecnologías Biológicas
CATEDRA ESPECIAL DE SEDE: “ENTRE ARTEFACTOS E IDEAS: 150 AÑOS DE INGENIO”
SEMINARIO : “QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA: UNA INTERACCIÓN EN AVANCE CONTINUO”
RUBÉN DARÍO GODOY SILVA Septiembre 1 de 2011
� Introducción� Definiciones� Aplicaciones
•Medicina• Arquitectura• Textiles• Ambiente• Energía
2CONTENIDO
3INTRODUCCIÓN
� Lema del MIT� Nueva disciplina
� Fusión de las ciencias de ingeniería con las ciencias moleculares de la vida.
http://web.mit.edu/be/index.shtmlhttp://web.mit.edu/be/index.shtmlhttp://web.mit.edu/be/index.shtmlhttp://web.mit.edu/be/index.shtml
Creando Tecnologías Biológicas desde el descubrimiento hasta el diseño
4INTRODUCCIÓN
� Do you want to make poop smell like peppermint or bananas?� Do you want to work with stem cells in your introductory lab course?� Do you want to know how to manipulate biological systems for your
own diabolical purposes?� Have you ever wondered how Tylenol works?� Have you ever wanted to make a turtle moo?� Have you ever wanted to make surgical tools?
� Do you want to combine your interest in biology with your wicked engineering skills?
� Do you like to think of the body as a machine?� Do you want to engineer life?
THEN, YOU SHOULD CONSIDER DISCOVERING BIOENGINEERING AT MIT!
Discover Biological Engineering (DBE)
5INTRODUCCION
http://www.italianamericanfestival.com/documents.cfmhttp://www.italianamericanfestival.com/documents.cfmhttp://www.italianamericanfestival.com/documents.cfmhttp://www.italianamericanfestival.com/documents.cfm
Snowbird. 2 Agosto 2010. 19.3 s.145 metros. 25.6 Km/h. Todd Reichert. Ontario (Canadá)
http://knowledgegroup.foroshttp://knowledgegroup.foroshttp://knowledgegroup.foroshttp://knowledgegroup.foros----gratuitos.com/t528gratuitos.com/t528gratuitos.com/t528gratuitos.com/t528----unununun----estudianteestudianteestudianteestudiante----canadiensecanadiensecanadiensecanadiense----concretaconcretaconcretaconcreta----elelelel----suenosuenosuenosueno----dededede----dadadada----vincivincivincivinci----yyyy----vuelavuelavuelavuela----comocomocomocomo----loslosloslos----pajarospajarospajarospajaros
Biomímica: Imitación de la NaturalezaLeonardo Da Vinci (1452-1519): Esquema de máquinas voladoras. No
exitosas.
6INTRODUCCION
Vida: Evolución de 3800 millones de años
• Desarrollo de modelos exitosos por prueba y error.• No necesariamente los más eficientes u óptimos• Necesidad de entender el concepto subyacente para adaptarlo y mejorarlo.•“Domesticar” la naturaleza ≠ Hacer ingeniería a la naturaleza
7INTRODUCCION
Vida artificial: Synthia. Junio 3 de 2010. 850 Genes.
8APLICACIONES
�Medicina� Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
9MEDICINA
http://ve
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eliculaso
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ot.com/2011/02/so
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ot.com/2011/02/so
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ot.com/2011/02/so
y -- --leyenda
leyenda
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legend
legend
legend-- -- 2007.htm
l2007.htm
l2007.htm
l2007.htm
l
Novela I am Legend – Richard Matheson, 1954
10MEDICINA
Model for early interactions of rotaviruses with MA104 cells.
Three-dimensional reconstruction of a
mature, triple-layered rotavirus particle. Image
obtained by cryoelectron microscopy.
FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Research, Volume 33, Issue 4, JulyResearch, Volume 33, Issue 4, JulyResearch, Volume 33, Issue 4, JulyResearch, Volume 33, Issue 4, July----August August August August 2002, Pages 3562002, Pages 3562002, Pages 3562002, Pages 356----361,361,361,361,
Rotavirus como virus oncolítico
PDI: Proteína disulfuro isomerasa
INGENIERÍA DE TEJIDOS
�Regenerar o recrear tejido humano
�Reconstrucción atrofia lobular congénita
11
INGENIERÍA DE TEJIDOS12
�Regenerar o recrear tejido humano
(Dr. Charles Vacanti)
NO INGENIERÍA DE TEJIDOS
Fuente: http://.www.colorlook.netFuente: http://.www.colorlook.netFuente: http://.www.colorlook.netFuente: http://.www.colorlook.net
13
QUEMADURA SEVERA14
�Afectación: Cara, cuello, pecho y brazos)
�Limitaciones de movimiento mandibular y cabeza, imposibilidad de cerrar la boca.
http://www.flickr.com/photos/interphttp://www.flickr.com/photos/interphttp://www.flickr.com/photos/interphttp://www.flickr.com/photos/interplast/366712690/last/366712690/last/366712690/last/366712690/
PIEL1
5
�Fibroblastos: Función…relleno, matriz extracelular
�Melanocitos: Función…producción de melanina. Color
�Queratinocitos: Función…protección. Erosión
Fuente: Iriarte (2007)Fuente: Iriarte (2007)Fuente: Iriarte (2007)Fuente: Iriarte (2007)
16APLICACIONES
REEMPLAZO17
http://www.loc.gov/exhibits/refle
ctions/refle
ct
http://www.loc.gov/exhibits/refle
ctions/refle
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http://www.loc.gov/exhibits/refle
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ctions/refle
ct -- --exhibit.htm
lexhibit.htm
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REEMPLAZO18
http://rp.eliteskills.com/r.phhttp://rp.eliteskills.com/r.phhttp://rp.eliteskills.com/r.phhttp://rp.eliteskills.com/r.php?r=7054&p=2p?r=7054&p=2p?r=7054&p=2p?r=7054&p=2
http://www.cyberpunkreview.com/newshttp://www.cyberpunkreview.com/newshttp://www.cyberpunkreview.com/newshttp://www.cyberpunkreview.com/news----asasasas----cyberpunk/prostheticscyberpunk/prostheticscyberpunk/prostheticscyberpunk/prosthetics----inininin----thethethethe----mainstreammainstreammainstreammainstream----dolphinsdolphinsdolphinsdolphins----bionicbionicbionicbionic----
women/women/women/women/
Función principal puede ser variada y subjetiva
INGENIERÍA DE TEJIDOS1
9
�Reparación de función de tejido dañado o enfermo
Fuente: http://www.bmj.com/content/338/bmj.b1037/F2.large.jpgFuente: http://www.bmj.com/content/338/bmj.b1037/F2.large.jpgFuente: http://www.bmj.com/content/338/bmj.b1037/F2.large.jpgFuente: http://www.bmj.com/content/338/bmj.b1037/F2.large.jpg
�Medicina�Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
20APLICACIONES
Eastgate building (Harare- Zimbabwe)
• Usa los principios de diseño de una colonia de termitas africanas
• El edificio posee ventilación y refrigeración natural. Ahorro de Energía
21ARQUITECTURA
http://inhabitat.com/buildinghttp://inhabitat.com/buildinghttp://inhabitat.com/buildinghttp://inhabitat.com/building----modelledmodelledmodelledmodelled----onononon----termitestermitestermitestermites----eastgateeastgateeastgateeastgate----centrecentrecentrecentre----inininin----zimbabwe/zimbabwe/zimbabwe/zimbabwe/
Living Machines
• Parte de la arquitectura del edificio
• Bioremediación
• Subproductos benéficos. (Agua, plantas,productos vegetales)
•South Burlington, Vermont. Este sistema se usa para tratar los efluentes residenciales. (80,000 galones/dia)
22ARQUITECTURA
Lobby of the Port of Portland headquarters, which was completed and ready for occupation May 2010. Certification as a LEED Platinum building.
http://www.livingmachines.com/
http://www.livingmachines.com/
http://www.livingmachines.com/
http://www.livingmachines.com/
23ARQUITECTURA
http://inhabitat.com/design
http://inhabitat.com/design
http://inhabitat.com/design
http://inhabitat.com/design-- -- insp
ired
insp
ired
insp
ired
insp
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by
by
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nature
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nature-- -- biomim
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biomim
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better
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features
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de
de
de-- -- scaler.htm
; scaler.htm
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; Living Machines
• Parte de la arquitectura del edificio
• Bioremediación
• Subproductos benéficos. (Agua, plantas, productos vegetales)
•South Burlington, Vermont. Este sistema se usa para tratar los efluentes residenciales. (80,000 galones/dia)
24ARQUITECTURA
http://www.photosfan.com/animalhttp://www.photosfan.com/animalhttp://www.photosfan.com/animalhttp://www.photosfan.com/animal----hands/hands/hands/hands/
OTRAS APLICACIONES DE ARQUITECTURA NATURAL
�Medicina�Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
25APLICACIONES
26APLICACIONES
A propósito de algunas tareas domésticas…
http://uglyhousephotos.com/wordpress/?p=3504
http://uglyhousephotos.com/wordpress/?p=3504
http://uglyhousephotos.com/wordpress/?p=3504
http://uglyhousephotos.com/wordpress/?p=3504
�Medicina�Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
27ARQUITECTURA/TEXTILEShttp://www.superstock.com/stock
http://www.superstock.com/stock
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http://www.superstock.com/stock -- --photos
photos
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28ARQUITECTURA/TEXTILES
http://camvilla
.blogsp
ot.com/2011/01/reconnecting
http://camvilla
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ot.com/2011/01/reconnecting
http://camvilla
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ot.com/2011/01/reconnecting
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ot.com/2011/01/reconnecting-- -- with
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turnic.live
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266464.htm
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http://estar
http://estar
http://estar
http://estar -- --al
al
al
al -- --
acecho.blogsp
ot.com/2011/03/ten
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ot.com/2011/03/ten
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ot.com/2011/03/ten
acecho.blogsp
ot.com/2011/03/ten
deretes.htm
lderetes.htm
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29ARQUITECTURA/TEXTILES
6:52…Tengo clase de 7 y aun no me he maquillado/afeitado…
30ARQUITECTURA/TEXTILES
LOTO (Nelumbo nucifera)
Planta acuática perenne de excepcional pureza. Clave en religión en China, India y Japón.
Hojas de Loto en una laguna durante la lluvia, mostrando el denominado efecto
Loto. Fotografía tomada en "Gärten der Welt" (Jardines del Mundo) en Erholungspark
Marzahn, Berlin / Alemania. http://commons.wikim
edia.org/wiki/File:LotusPlant_by_ArchiKat.jp
http://commons.wikim
edia.org/wiki/File:LotusPlant_by_ArchiKat.jp
http://commons.wikim
edia.org/wiki/File:LotusPlant_by_ArchiKat.jp
http://commons.wikim
edia.org/wiki/File:LotusPlant_by_ArchiKat.jpgg gg
31ARQUITECTURA/TEXTILES
EFECTO LOTO
Dr. en Botanica Wilhelm Barthlott – Universidad de Bonn, Alemania.SEM
Superficies con superhidrofobicidad inducida por una alta rugosidad, autolimpieza y baja adhesión
http://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5Ehttp://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5Ehttp://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5Ehttp://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5E
32ARQUITECTURA/TEXTILES
EFECTO LOTO
Líquido
Sólido
Aire
θ Líquido
Sólido
Aire
θ
Líquido
Sólido
Aire
θ
Hidrofílico: θ <30°Hidrofóbico: θ >90° Superhidrofóbico: θ >150°
Superficie lisa
Superficie rugosaLíquido
Sólido
Aire
θ
Sólido
Aire
Aire
Líquido
Microprotuberancias: Papilas de células epidermales. Inestables por microgotas, condensación, ondas o inhomogeneidad de la superficie
33ARQUITECTURA/TEXTILES
EFECTO LOTO – Estructura Jerárquica
Superficie rugosaLíquido
Sólido
Aire
θ
Sólido
Aire
Aire
Líquido
Sólido
Aire
Aire
Líquido
Nanoprotuberancias: Túbulos cristalinos cerosos, mezcla de nonacosano – 10 –ol y nonacosanodiol (C29). Soluciona el problema de microgotas, condensación Z
. Burton and B. Bhush
an, Ultramicroscopy106,
Z. Burton and B. Bhush
an, Ultramicroscopy106,
Z. Burton and B. Bhush
an, Ultramicroscopy106,
Z. Burton and B. Bhush
an, Ultramicroscopy106,
709 (2006);B. Bhush
an and Y. C. Ju
ng,
709 (2006);B. Bhush
an and Y. C. Ju
ng,
709 (2006);B. Bhush
an and Y. C. Ju
ng,
709 (2006);B. Bhush
an and Y. C. Ju
ng,
Nanotechnology17, 2758 (2006);
Nanotechnology17, 2758 (2006);
Nanotechnology17, 2758 (2006);
Nanotechnology17, 2758 (2006);
34ARQUITECTURA/TEXTILES
EFECTO LOTO - Textiles
http://www.youtube.com/watch?v=
xdzS4
http://www.youtube.com/watch?v=
xdzS4
http://www.youtube.com/watch?v=
xdzS4
http://www.youtube.com/watch?v=
xdzS4-- -- d31n8
d31n8
d31n8
d31n8
35ARQUITECTURA/TEXTILES
EFECTO LOTO – Textiles
• El efecto Loto se podría imitar si se pudiese crear una superficie rugosa y cerosa (hidrofóbica).
• Patentado alrededor de 1980
• Multinacional alemana Sto AG: Pintura de exteriores StoLotusan
http://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takwhttp://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takwhttp://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takwhttp://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takw
36ARQUITECTURA/TEXTILES
EFECTO LOTO – Textiles - Ropa superhidrofóbica a prueba de suciedad
http://www.nanocare
http://www.nanocare
http://www.nanocare
http://www.nanocare-- -- ag.com/textilien/
ag.com/textilien/
ag.com/textilien/
ag.com/textilien/
• NanoCare – NanoTex (David Soane, Alemania)
Basado en polimero hidrocarbonado.Pequeños “bigotes” similares a un durazno
•Schoeller Textil AG (Suiza)Basado en nanoesferas de silica o polímero
•NanoCare AG (Alemania)www.nanocare-ag.com/textilien/Basado en SiO2Inerte, invisible, permanente, resistente a T, aplicación simple, resistente al lavado y a químicos
37ARQUITECTURA/TEXTILES
Conos de Pino dorado
http://fineartamerica.com/featured/goldenhttp://fineartamerica.com/featured/goldenhttp://fineartamerica.com/featured/goldenhttp://fineartamerica.com/featured/golden----pinepinepinepine----conesconesconescones----artartartart----printsprintsprintsprints----pinepinepinepine----treestreestreestrees----basleebasleebasleebaslee----troutmantroutmantroutmantroutman----basleebasleebasleebaslee----troutmantroutmantroutmantroutman----finefinefinefine----artartartart----printsprintsprintsprints----collections.htmlcollections.htmlcollections.htmlcollections.html
http://es.123rf.com/photo_552889_golhttp://es.123rf.com/photo_552889_golhttp://es.123rf.com/photo_552889_golhttp://es.123rf.com/photo_552889_goldendendenden----pinecone.htmlpinecone.htmlpinecone.htmlpinecone.html
38ARQUITECTURA/TEXTILES
C_change™: the bionic climate membrane
Schoeller Textil AG (Suiza)
http://http://http://http://
�Medicina� Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
39APLICACIONES
40APLICACIONES
1- Agua potable para la humanidad
2- Calentamiento Global
RETOS AMBIENTALES�Medicina� Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
�Escasez de agua seráun enorme problema en el siglo XXI – “ONU statement on water crisis” - 2006.�Desalinización por destilación flash o por membranas. �Aún demasiado $�Jebel-Ali. (Emiratos Arabes). 300 millones m3/año.
41AGUA POTABLE
�Solución a corto plazo: tratar y recircular agua residual.�Problema:
•Patógenos•Compuestos tóxicos•Compuestos indeseables
�Detección difícil y demorada.
42AGUA POTABLE
http://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/wastehttp://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/wastehttp://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/wastehttp://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/waste----waterwaterwaterwater----treatment/treatment/treatment/treatment/
�Solución:•Biosensores
•Rapidez•Sensibilidad
43AGUA POTABLE
http://www.hitachihttp://www.hitachihttp://www.hitachihttp://www.hitachi----pt.com/products/es/water/cleanwater/hc_clearwater.htmlpt.com/products/es/water/cleanwater/hc_clearwater.htmlpt.com/products/es/water/cleanwater/hc_clearwater.htmlpt.com/products/es/water/cleanwater/hc_clearwater.html
44AMBIENTE
http://live
http://live
http://live
http://live-- -- the
the
the
the-- -- solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
Calentamiento global
45AMBIENTE
http://qeai.blogsp
ot.com/2010/05/ready
http://qeai.blogsp
ot.com/2010/05/ready
http://qeai.blogsp
ot.com/2010/05/ready
http://qeai.blogsp
ot.com/2010/05/ready -- --for
for
for
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global
global
global -- -- w
arm
ing.htm
lwarm
ing.htm
lwarm
ing.htm
lwarm
ing.htm
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“Global Warming Ready”
•Campaña publicitaria•Posición despreocupada
46AMBIENTE
http://live
http://live
http://live
http://live-- -- the
the
the
the-- -- solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
Soluciones para el calentamiento global
Intercambio de gasesSecuestro de CO2
47AMBIENTE
http://live
http://live
http://live
http://live-- -- the
the
the
the-- -- solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
solution.com/mindmaps/
Microalgas
Reino EukaryotaDivisión ChlorophytaClase ChlorophyceaeOrden ChlorococcalesFamilia OocystaceaeGénero ChlorellaEspecie Chlorella vulgaris
Alga verde unicelular De agua dulceEsférica diámetro entre 2 y 10 µm
Clasificación científica
48APLICACIONES
�Captación de CO2 en la fuente
http://operationalgae.com/Bioreactors.htm
lhttp://operationalgae.com/Bioreactors.htm
lhttp://operationalgae.com/Bioreactors.htm
lhttp://operationalgae.com/Bioreactors.htm
l
http://es.123rf.com/photo_2530236_elhttp://es.123rf.com/photo_2530236_elhttp://es.123rf.com/photo_2530236_elhttp://es.123rf.com/photo_2530236_el----humohumohumohumo----dededede----lalalala----chimeneachimeneachimeneachimenea----industrial.htmlndindustrial.htmlndindustrial.htmlndindustrial.htmlnd----benbenbenben----guriongurionguriongurion----university/university/university/university/
49APLICACIONES
�Reactores de diferentes tipos
http://graemefie
lder.wordpress.com/2008/04/16/alga
http://graemefie
lder.wordpress.com/2008/04/16/alga
http://graemefie
lder.wordpress.com/2008/04/16/alga
http://graemefie
lder.wordpress.com/2008/04/16/alga
ee ee-- -- based
based
based
based-- -- biofuel
biofuel
biofuel
biofuel -- -- vertigro
vertigro
vertigro
vertigro-- -- bioreactor/
bioreactor/
bioreactor/
bioreactor/
http://www.sustainableguernsey.info/blog/2011/06/whttp://www.sustainableguernsey.info/blog/2011/06/whttp://www.sustainableguernsey.info/blog/2011/06/whttp://www.sustainableguernsey.info/blog/2011/06/wageningenageningenageningenageningen----universitysuniversitysuniversitysuniversitys----micromicromicromicro----algaealgaealgaealgae----researchresearchresearchresearch----centrecentrecentrecentre----exploresexploresexploresexplores----renewablerenewablerenewablerenewable----energyenergyenergyenergy----andandandand----rawrawrawraw----materialsmaterialsmaterialsmaterials----production/production/production/production/
50APLICACIONES
�Raceway reactor
http://www.dotyenergy.com/Markets/Micro
http://www.dotyenergy.com/Markets/Micro
http://www.dotyenergy.com/Markets/Micro
http://www.dotyenergy.com/Markets/Micro-- -- algae.htm
algae.htm
algae.htm
algae.htm
http://www.altdotenergy.com/2009/01http://www.altdotenergy.com/2009/01http://www.altdotenergy.com/2009/01http://www.altdotenergy.com/2009/01/international/international/international/international----biofuelbiofuelbiofuelbiofuel----partnershippartnershippartnershippartnership----betweenbetweenbetweenbetween----primafuelprimafuelprimafuelprimafuel----andandandand----benbenbenben----guriongurionguriongurion----university/university/university/university/
51APLICACIONES
�Medicina� Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía
http://inhabitat.com/newhttp://inhabitat.com/newhttp://inhabitat.com/newhttp://inhabitat.com/new----submissionsubmissionsubmissionsubmission----30303030/
52ENERGIA
Precios internacionales del crudo
Au
g 3
0,
20
11
53ENERGIA
FUENTES DE ENERGIA
Sólida (carbón) Líquida (Petróleo)Gaseosa (Gas natural)ENERGÍAS NO
RENOVABLES
ENERGÍASRENOVABLES
Energía fósil
Energía nuclear
Energía solar (el sol)Energía eólica (los vientos)Energía hidráulica (corrientes agua)Energía mareomotriz (mares)Energía geotérmica (calor de la Tierra)Energía undimotriz (las olas)
Permanentes
Temporales Biocombustibles
54ENERGIA
Oferta mundial de energía según combustible (IEA, 2009)
Emisiones de CO2 mundiales según combustible
(IEA, 2009)
55ENERGIA
Ventajas y desventajas de los biocombustibles
Ventajas•Ciclo cerrado del carbono
Desventajas•Uso en casos limitados•Empleo de terrenos extensivos•Competencia con el sector alimenticio•Impacto negativo en la biodiodiversidad•Capacidad calorífica menor que combustibles fósiles
56ENERGIA
BIODIESEL DE MICROALGASComparación de algunas fuentes de biodiesel para suplir el 50% de la demanda anual de E.U.
Cultivo Rendimiento
aceite (L/ha)
Tierra necesaria
(Mha)
Porcentaje área
cultivable en EU
Maíz 172 1540 846
Soya 446 594 326
Canola 1190 223 122
Jatropha 1892 140 77
Coco 2689 99 54
Palma 5950 45 24
Microalga 70% rend 136900 2 1,1
Microalga 30% rend 58700 4,5 2,5
57ENERGIA
HIDRÓGENO DE MICROALGAS
• El H2 se produce gracias a la hidrogenasa, la cual funciona anaeróbicamente.
• La producción de H2 por microalgas fue descubierto por Hans Gaffron en 1939
• Algunas microalgas que pueden hacer esto son Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella fusca y Scenedesmus obliquus
58
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PREGUNTAS?
GRACIAS
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