Fotobiorreactores
El
cultivo de microalgas no es algo novedoso, muchos de los métodos y
conceptos que se usan hoy en día fueron desarrollados a finales del
siglo XIX y principios de la pasada centuria. En décadas
posteriores, se han ido refinando por la intervención de varias
disciplinas que han trabajado de manera conjunta: biología,
ingeniería de procesos, matemáticas y física. En los últimos 30
años, la industria biotecnológica de las microalgas ha crecido y se
ha diversificado de manera significativa. Sin embargo, las
aplicaciones comerciales existentes, todavía se hallan limitadas a
comercios de bajo volumen y gran valor añadido como el de los
suplementos alimenticios o el de los extractos (por ejemplo, el
beta-caroteno). De acuerdo con un informe de IEA Bioenergy del 2010,
la cantidad de biomasa algal producida comercialmente estaba en el
entorno de las 9.000 toneladas. 1,2,3,4
Actualmente,
el interés creciente que despiertan el empleo de las microalgas en
la obtención de biocombustibles y el concepto de biorrefinería
basada en microalgas, está acelerando el estudio de los diferentes
métodos de cultivo. A continuación, se van a describir las cuatro
tecnologías de cultivo fotosintético más comunes, prestando
especial atención a los fotobiorreactores.
Estanques
abiertos para cultivo extensivo
4
Los
estanques abiertos para cultivo extensivo (“extensive ponds”) se
usan habitualmente en tratamiento de aguas o para la producción de
algas como Dunaliella salina. Estos estanques presentan una
mezcla limitada y se basan en la selección natural y en la
intervención humana mínima. En términos de superficie de cultivo,
son los sistemas de producción de algas más grandes del mundo (por
ejemplo, Whyalla y Hutt Lagoon).
Estanques
abiertos para cultivo intensivo
2,4
Se
trata de estanques con pistas de poca profundidad (típicamente, de
15 a 35 cm) en los que el contenido es mantenido en movimiento de
manera continua por medio de ruedas de paleta. Normalmente son
construidos con configuraciones circulares o longitudinales y son
relativamente baratos y fáciles de construir. Sin embargo, el pobre
aprovechamiento de la luz, el peligro de la contaminación y la alta
evaporación de agua, son factores importantes que suelen provocar
una producción baja de biomasa. Con todo, puede ser diez veces mayor
que la obtenida en los estanques para cultivo extensivo. Los
estanques suelen ser forrados con plástico o cemento y el tamaño
habitual suele estar entre 0,2 y 0,5 ha. Los procedimientos de
gestión del agua pueden variar dependiendo de la intensidad de la
intervención en el proceso de crecimiento de las algas y es normal
que incluya la adición de CO2 con controles automatizados
de pH en las pistas. La biomasa puede ser recolectada mediante
floculación o centrifugación.
Fotobiorreactores
2,4,5,6,7,8,9,10,11,12
A
diferencia de los estanques, los fotobiorreactores son sistemas
cerrados. Pueden presentar diferentes configuraciones: tuberías,
placas, depósitos o cúpulas hemisféricas. Todas ellas tienen en
común que sus superficies de cierre son transparentes ya que el
principal factor que afecta a su diseño es la penetración de luz.
En la literatura científica y las patentes, se han descrito
numerosos diseños de fotobiorreactores pero sólo una pequeña
proporción llega al nivel comercial. En la mayor parte de ellos
tiene lugar una producción fotoautótrofa con el empleo de luz
natural o artificial. Como se verá en el último apartado, algunas
especies de microalgas se pueden cultivar de manera heterótrofa sin
luz en otro tipo de sistemas.
Los
fotobiorreactores pueden ser operados de manera completamente manual
o incorporando monitorización automatizada y sistemas de
retroalimentación para mantener las condiciones más estables. Como
otros tipos de biorreactores, pueden trabajar en modo “batch”, de
manera continua o semicontinua.
Los
rendimientos son superiores a los de los sistemas abiertos ya que
proveen protección contra agentes externos (contaminación,
patógenos o depredadores) y minimizan el impacto del clima (lluvias,
evaporación y fluctuaciones de temperatura estacionales). El
ensuciamiento de las superficies transparentes debido a bacterias y
otros organismos (entre ellos, las propias algas) es uno de los
mayores problemas operativos de los fotobiorreactores. Se intenta
prevenir manteniendo un flujo altamente turbulento. La transferencia
de gases que está restringida al área superficial de las interfases
gas-líquido puede limitar la escalabilidad de los diseños de
fotobiorreactores.
De
acuerdo con Sen, los parámetros críticos que afectan al diseño de
los fotobiorreactores son los siguientes:
- Capacidad para reutilizarse (facilidad de limpieza y reutilización).
- Material de construcción (resistente, inerte, tolerante al daño por pH, temperatura y salinidad).
- Iluminación (penetración e intensidad de la luz, fotoperiodo e intermitencia).
- Mezcla (una mezcla pobre da lugar a un aumento del ensuciamiento y de la concentración de oxígeno).
- Aireación (número/tamaño de las burburjas, transferencia de materia).
- PH (solubilización de CO2, envejecimiento del cultivo, composición del medio).
- Temperatura (efecto de la luz, eliminación del exceso de calor).
A
continuación, se van a describir las tecnologías de
fotobiorreactores algales más importantes: placas planas y
tubulares. Todas ellas están enfocadas en conseguir una ratio
superficie a volumen lo más elevada posible para mejorar la
eficiencia fotosintética y, en consecuencia, una buena productividad
de biomasa.
Fotobiorreactor
de placas planas
Los
reactores de placas planas (“Flat Plat Reactors” o FPR) siguen un
concepto de diseño simple que busca un uso eficiente de la luz.
Están formados por paneles estrechos construidos para lograr una
relación área a volumen alta. Estas placas o paneles forman un
sistema mediante la conexión de unas con otras. Dichas conexiones
también son utilizadas para introducir gas y sustancias nutritivas.
La introducción del CO2 se suele realizar por la parte baja del
panel para asegurar que tenga suficiente tiempo para interaccionar
con las algas. En general, las principales ventajas de estos
fotobiorreactores son su alta productividad y una distribución
uniforme de la luz.
Debido a las ventajas que
se acaban de comentar, este tipo de fotobiorreactores ha sido objeto
de gran atención. Los trabajos presentados por Milner (1953)
prepararon la base para el cultivo de algas en este clase de
sistemas. Siguiendo este trabajo, Samson y Leduy (1985) desarrollaron
un reactor equipado con lámparas fluorescentes. Un año más tarde,
Ramos de Ortega y Roux (1986) desarrollaron un reactor para
exteriores usando PVC transparente. Posteriormente, en los años 90,
se fueron presentando trabajos sobre el diseño de paneles alveolares
verticales y reactores de placas planos para el cultivo masivo de
diferentes tipos de algas. Buen ejemplo de ellos, son las
investigaciones de Tredici y Materassi.
Fotobiorreactor
tubular vertical
Los reactores de columna
burbujeante son los ejemplos más típicos de fotobiorreactores
tubulares verticales (“Vertical Tubular Reactors” o VTR). Se
trata de una
columna cilíndrica fabricada en un material transparente,
normalmente
polietileno o vidrio ya que permiten una buena penetración de luz y
son relativamente baratos.
La introducción de gas se lleva a cabo por la parte inferior de la
columna y causa una corriente turbulenta que permite optimizar el
intercambio de gas. En la actualidad, estos tipos de reactores se
construyen con un diámetro máximo de 20 a 30 cm para asegurar el
suministro de energía solar. La disponibilidad de luz en este tipo
de columnas está influenciada por la velocidad de aireación, las
acumulaciones de gas y la velocidad del líquido. El exceso de
oxígeno generado por la actividad fotosintética debe ser retirado.
Aunque
el cultivo de microalgas en este tipo de sistemas es simple y su
empleo está ampliamente extendido, la tecnología es algo primitiva
y presenta ciertas limitaciones derivadas de la fragilidad y de la
baja versatilidad de los materiales utilizados.
Por otro lado, el escalado de los equipos se preveía muy sencillo
inicialmente, pero la experiencia acumulada ha demostrado que el
aumento en el volumen de cultivo implica un descenso de la
productividad.
Fotobiorreactor
tubular horizontal
Un reactor tubular
horizontal está formado por haces de tubos horizontales conectados
como un sistema de tuberías. El fluido algal suspendido es capaz de
circular por esta línea de tuberías. Los tubos se suelen fabricar
de plásticos transparentes o vidrio de borosilicato y la circulación
se mantiene constante mediante
una bomba localizada al final del sistema. La
transferencia
de gas tiene lugar en las conexiones entre tubos o en unidades de
intercambio de gas especialmente diseñadas para este propósito.
Parece
que uno
de los
principales
problemas
operativos
que se dan
en en este tipo de fotobiorreactores,
es el
calentamiento excesivo durante las horas de calor.
La
amplitud del salto de temperatura que se produce en un día puede
llegar a alcanzar los 20ºC.
Algunas
de las soluciones que se han probado para atajar este problema pasan
por rociar la superficie de los tubos con agua de manera regular o
sumergir el cultivo en una piscina de agua cuando se considera
necesario. Varias
fuentes sostienen que los fotobiorreactores de exteriores pueden ser
enfriados de manera efectiva y barata mediante intercambiadores de
calor.
Otra limitación importante, ya
destacada
en el caso de los tubulares verticales, es la fragilidad intrínseca
de los vidrios habitualmente empleados en su fabricación.
Figura
1. Fotobiorreactor tubular horizontal en operación (Varicon Aqua
Solutions). Figura extraída de la referencia bibliográfica 2.
Fotobiorreactor
tubular helicoidal
Esta
clase de fotobiorreactores son una buena alternativa a los tubulares
rectos. La configuración más ampliamente utilizada es la conocida
como Biocoil, que fue desarrollada inicialmente por Robinson. Está
compuesto de una serie de tubos de polietileno bobinados en una
estructura abierta cilíndrica acompañada de una torre de
intercambio de gases y un intercambiador de calor. Las sucesivas
mejoras de este diseño lo han colocado como uno de los mejor
posicionados debido a que se pueden cultivar volúmenes elevados en
porciones pequeñas de terreno.
Figura
2. Fotobiorreactor tubular helicoidal de 1000 L en Murdoch University
(Australia). Figura extraída de la referencia bibliográfica 7.
Otra
variante es el reactor helicoidal cónico diseñado por Morita. En
este caso, la estructura portante es cónica y su principal ventaja
es una alta eficiencia de recogida de luz derivada del hecho de que
la forma cónica distribuye la energía radiante en una amplia área
de recepción. Su principal desventaja es que no presenta la misma
facilidad de escalado que el Biocoil pues el ángulo y la altura del
cono están estrictamente definidos para conseguir altas tasas
fotosintéticas.
Fermentadores
4,5
Además
de los fotobiorreactores, existe otro sistema cerrado para el cultivo
de algas. Son los fermentadores que se usan para la producción de
microalgas heterótrofas cuyo crecimiento depende más de azúcares
(y otras fuentes simples de carbono) y O2 que de la luz
solar y el CO2. Los fermentadores abiertos que se utilizan
para la obtención de etanol no son adecuados ya que el crecimiento
de las algas es mucho más lento que el de las levaduras y bacterias.
En consecuencia, sería difícil cultivar algas como especie
dominante en un medio abierto rico en azúcares.
En
la obtención de biocombustibles, este proceso en fermentadores
cerrados, como cualquier proceso fermentativo para la generación de
combustibles o especialidades químicas, tiene la ventaja de que los
métodos para producción de grandes cantidades ya están bien
establecidos y estudiados pero presenta el inconveniente de que
requieren un gran volumen de una fuente de carbohidratos barata.
REFERENCIAS
1
H.R. Preisig, R.A. Andersen: “Historical
Review of Algal Culturing Techniques”.
In Algal culturing techniques (ed. R. A. Andersen), pp. 1–12.
London, UK: Academic Press.
2
H.C. Greenwell, L.M.L. Laurens, R.J. Shields, R.W. Lovitt, K. J.
Flynn: “Placing microalgae on the
biofuels priority list: a review of the technological challenges”.
J. R. Soc. Interface 2010, 7, doi: 10.1098/rsif.2009.0322
first published online 23 December 2009.
3
P. Spolaore, C. Joannis-Cassan, E. Duran, A. Isambert: “Commercial
applications of microalgae”. J. Biosci. Bioeng. 101, 87–96.
(doi:10.1263/jbb.101.87), 2006.
4
A. Darzins, P. Pienkos, L. Edye: “Current Status and
Potential for Algal Biofuels Production”. A Report to IEA
Bioenergy Task 39, Report T39-T2, 6 August 2010.
5
A.P. Carvalho, L. A. Meireles, F. X. Malcata: “Microalgal
reactors: a review of enclosed system designs and performances”.
Biotechnol. Progr. 22, 1490–1506, 2006. (doi:10.1021/bp060065r).
7
Y. Chisti: “Biodiesel
from microalgae”. Biotechnology
Advances 25 (2007) 294–306.
8
R. Sen: “Photobioreactors for microalgal cultivation_Design
considerations and complications”.
9
M.R. Tredici, P. Carlozzi, G.C. Zittelli, R. Materassi: “A
vertical alveolar panel (VAP) for outdoor mass cultivation of
microalgae and cyanobacteria”. Bioresour. Technol. 1991, 38,
153-159.
10
M. A. Borowitzka: “Closed algal photobioreactors: design
considerations for large-scale systems”. J. Mar. Biotechnol.
1996, 4, 185-191.
11
M. Morita, Y. Watanable, T. Okawa, H. Saiki: “Photosynthetic
productivity of conical helical tubular photobioreactors
incorporating Chlorella sp. under various culture medium flow
conditions”. Biotechnol. Bioeng. 2001, 74, 135-144.
12
E. Molina, J. Fernández, F.G. Acién, Y. Chisti: “Tubular
photobioreactor design for algal cultures”. J Biotechnol
2001;92:113–31.
