CRÍTICAS DE ENERGÍAS RENOVABLES Y SOSTENIBLES

DESARROLLO DEL FOTOBIORREACTOR ADECUADO PARA LA PRODUCCIÓN DE ALGAS - UNA REVISIÓN

RESUMEN:

Especies de microalgas son recientemente el centro de atención para la producción de biocombustibles como el biodiesel, bioetanol y biohidrógeno. El alga puede ser un organismo fotosintético que se produce en los fotobiorreactores. Los biorreactores son la columna del fotobiorreactor de burbuja, fotobiorreactor puente aéreo, biorreactor de panel plano, fotobiorreactor tubular horizontal, fotobiorreactor tanque agitado, etc. El trabajo es desarrollar biorreactores del tipo híbrido que pueden superar las limitaciones de los fotobiorreactores desarrollados. Este trabajo recoge las características más destacadas, las limitaciones de fotobiorreactores desarrollados y los acontecimientos recientes en el campo de fotobiorreactores.

INTRODUCCIÓN

La sostenibilidad es un principio clave en la gestión de los recursos naturales, y se trata de la eficiencia operativa, la minimización de impacto ambiental y las consideraciones socioeconómicas. Es cada vez más evidente que la continua dependencia de los recursos energéticos de combustibles fósiles es insostenible, por lo tanto, hay vigorosas iniciativas de investigación destinadas a desarrollar alternativas renovables.

El creciente consumo de combustibles fósiles, ha despertado sus efectos adversos sobre el medio ambiente. En contraste, los sistemas de segunda y tercera generación de biocombustibles (como sistemas lignocelulósicos y biocombustibles de microalgas) tienen el potencial para superar muchas de estas limitaciones y dirigirse a una emergente energía limpia. Las microalgas son microorganismos fotosintéticos con crecientes necesidades simples (luz, azúcares, CO2, N, P y K) que puede producir lípidos, proteínas e hidratos de carbono en grandes cantidades durante períodos cortos de tiempo.

Características generales de algas

Las algas son capaces de crecer en una amplia gama de condiciones. Las algas se encuentran generalmente en humedad [1]. Se distribuye en toda la biosfera. Su singularidad de otros microorganismos se debe a la presencia de la clorofila y la capacidad fotosintética. Núcleo bien definido, una pared celular, cloroplasto que contiene clorofila y otros pigmentos, pirenoide, una región densa que contiene gránulos de almidón en su superficie, el estigma y flagelos son los principales

componentes de las algas verdes [1]. Las colonias de Filamentosa de cianobacterias tienen capacidad de diferenciarse como células vegetativas, acinetas y heterocistos.

Los métodos de cultivo de algas

El cultivo de microalgas se puede hacer en sistemas abiertos y en sistemas controlados y cerrados denominados fotobiorreactores.

El cultivo de algas en estanques

La mayor ventaja de los estanques abiertos es su simplicidad, resultando en bajos costos de producción y operación [3]. Los estanques abiertos son altamente vulnerables a la contaminación por otros microorganismos, tales como otras especies de algas o bacterias; también no ofrecen control sobre la temperatura y la iluminación [5]. Para superar los problemas asociados con el sistema abierto, los investigadores han intentado con estanques cerrados. Aquí, el control sobre el entorno es mucho mejor que la de los estanques abiertos. Como una variación del sistema de estanques abiertos, la idea es cubrir con una barrera transparente o translúcida que la convierte en un invernadero.

Fotobiorreactores

Recipiente de cultivo iluminado cerrado diseñado para la producción de biomasa controlada.

Tienen varias ventajas importantes sobre los sistemas abiertos:

Ofrecen un mejor control sobre las condiciones tales como el pH, la temperatura, la luz, la concentración de CO2, evitan la evaporación del agua, etc.

Permiten concentraciones celulares superiores y la producción de productos biofarmacéuticos complejos.

Biorreactores prometedores

Las principales ventajas asociadas con el biorreactor de columna de burbujas son sus costos de capital bajos, alta superficie a volumen, la falta de partes móviles, transferencia de calor y masa satisfactoria, liberación eficiente de O2 y mezcla de gas residual. La forma del biorreactor tubular horizontal es ventajosa en el cultivo al aire libre para su orientación hacia la luz que resulta en luz alta eficiencia de conversión. También la eficiencia y la productividad volumétrica fotosintética fueron mayores que la de biorreactor de panel plano. El fotobiorreactor helicoidal

también tiene ventaja sobre otros biorreactores debido a su requisito bajo tierra, mejor transferencia de CO2 de la fase gas a fase líquida.

Desarrollos recientes

Un fotobiorreactor helicoidal tubular experimental ha sido diseñado por Briassoulis et al. [30] Sus principales ventajas incluyen: combinación de gran proporción de volumen de cultivo a la zona de superficie, junto con la profundidad de penetración de la luz optimizado, fácil control de la temperatura y contaminantes, distribución espacial eficaz de aire fresco y de CO2, mejor transferencia de CO2, etc. Henrard et al. [31] evaluaron el potencial del cultivo semicontinuo de especies Cyanobium en biorreactor tubular cerrado. Los resultados mostraron el potencial del cultivo semicontinuo de especies Cyanobium combinando factores tales como la concentración de la mezcla, la tasa de renovación, y la concentración de bicarbonato de sodio. Janssen et al. [9] estudiaron el régimen de luz, la eficiencia fotosintética, ampliación, y las perspectivas futuras de fotobiorreactores cerrados al aire libre. En este estudio se muestra que la productividad de fotobiorreactores está determinada por el régimen de luz en el interior de los biorreactores. Diseños futuros de ingenieros ópticos deben ser utilizados para recoger, concentrar y transportar la luz del sol, seguido de redistribución en un fotobiorreactor a gran escala.

CONCLUSIÓN

El biorreactor desarrollado requiere de conocimiento de la distribución de la luz, la transferencia de masa, esfuerzo cortante, la escalabilidad y la biología de las células de las algas. Ninguno de los biorreactores cumple todos los requisitos de un biorreactor completo. Sin embargo, los reactores híbridos han demostrado ser útiles en la producción en masa de algas. Se puede combinar diferentes tipos de biorreactores para el cultivo de algas en masa.

REFERENCIAS:

[3] Ugwu CU, Aoyagi H, Uchiyama H. Photobioreactors for mass cultivation of algae. Bioresour Technol 2008;99:4021–8.[9] Janssen M, Tramper J, Mur LR, Wijffels RH. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol Bioeng 2003;81(2):193–210.[10] Barbosa MJ, Janssen M, Ham N, Tramper J, Wijffels RH. Microalgae cultivation in air-lift reactors: modeling biomass yield and growth rate as a function of mixing frequency. Biotechnol Bioeng 2003;82(2):170–9.[12] Barbosa MJ, Zijffers WJ, Nisworo A, Vaes W, Schoonhoven VJ, Wijffels RH. Optimization of biomass, vitamins, and carotenoid yield on light energy in a flat-

panel reactor using the A-stat technique. Biotechnol Bioeng 2005;89(2):233–42. [16] Cuaresma M, Janssen M, Vilchez C, Wijffels RH. Productivity of Chlorella sorokiniana in a short light-path (SLP) panel photobioreactor under high irradiance. Biotechnol Bioeng 2009;104(2):352–9.