Biorreactor de algas
Dispositivo utilizado para el cultivo de micro o macro algas.
Un primer plano de una microalga – Pavlova sp.

Un biorreactor de algas se utiliza para cultivar micro o macroalgas . Las algas pueden cultivarse con fines de producción de biomasa (como en un cultivador de algas ), tratamiento de aguas residuales , fijación de CO2 o filtración de acuarios/estanques en forma de depurador de algas . [1] Los biorreactores de algas varían ampliamente en diseño, y se dividen en dos categorías generales: reactores abiertos y reactores cerrados. Los reactores abiertos están expuestos a la atmósfera, mientras que los reactores cerrados, también llamados comúnmente fotobiorreactores , están aislados en diversos grados de la atmósfera. Específicamente, los biorreactores de algas se pueden utilizar para producir combustibles como biodiesel y bioetanol , para generar alimento para animales o para reducir contaminantes como NOx y CO2 en los gases de combustión de las centrales eléctricas. Fundamentalmente, este tipo de biorreactor se basa en la reacción fotosintética , que es realizada por las propias algas que contienen clorofila utilizando dióxido de carbono disuelto y luz solar. El dióxido de carbono se dispersa en el fluido del reactor para que las algas puedan acceder a él. El biorreactor debe estar fabricado con material transparente.

Antecedentes históricos

El primer cultivo de microalgas fue de la Chlorella vulgaris unicelular realizado por el microbiólogo holandés Martinus Beijerinck en 1890. Más tarde, durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania utilizó estanques abiertos para aumentar el cultivo de algas para su uso como suplemento proteico. [2] Algunos de los primeros experimentos con el objetivo de cultivar algas fueron realizados en 1957 por el Instituto Carnegie para la Ciencia en Washington. En estos experimentos, se cultivaron Chlorella monocelulares añadiendo CO2 y algunos minerales. El objetivo de esta investigación era el cultivo de algas para producir un alimento barato para animales. [3]

Metabolismo de las microalgas

Las algas son organismos fotoautotróficos principalmente eucariotas que realizan la fotosíntesis oxigenada. Estos tipos de algas se clasifican por sus pigmentos captadores de luz que les dan su color. [2] Las especies de algas verdes , también conocidas como Chlorophyta, se utilizan a menudo en biorreactores debido a su alta tasa de crecimiento y capacidad para soportar una variedad de entornos. Las algas verdeazuladas, también conocidas como cianobacterias , se clasifican como fotoautotrofas procariotas debido a su falta de núcleo. La luz proporciona la energía esencial que la célula necesita para metabolizar CO 2 , nitrógeno, fósforo y otros nutrientes esenciales. Las longitudes de onda e intensidades de la luz son factores muy importantes. [4] El CO 2 disponible también es un factor importante para el crecimiento y debido a la menor concentración en nuestra atmósfera, se puede agregar CO 2 suplementario como se ve con la columna de burbujas PBR a continuación. Las microalgas también poseen la capacidad de absorber el exceso de nitrógeno y fósforo en condiciones de inanición, que son esenciales para la síntesis de lípidos y aminoácidos . Las temperaturas más altas y un pH superior a 7 y inferior a 9 también son factores comunes. [4] Cada uno de estos factores puede variar de una especie a otra, por lo que es importante tener las condiciones ambientales correctas al diseñar biorreactores de cualquier tipo.

Tipos de biorreactores

Los biorreactores se pueden dividir en dos grandes categorías: sistemas abiertos y fotobiorreactores (PBR). La diferencia entre estos dos reactores es su exposición al entorno circundante. Los sistemas abiertos están totalmente expuestos a la atmósfera, mientras que los PBR tienen una exposición muy limitada a la atmósfera.

Sistemas abiertos de uso común

Estanque de canalización en la planta de tratamiento de aguas residuales de Bromley en Christchurch, Nueva Zelanda, utilizado para el cultivo de algas.

Estanques simples

El sistema más simple produce un bajo costo de producción y operación. Los estanques necesitan un mezclador rotatorio para evitar la sedimentación de la biomasa de algas. Sin embargo, estos sistemas son propensos a la contaminación debido a la falta de control ambiental. [5]

Estanques de carreras

Una versión modificada de un estanque simple, el estanque de canalización utiliza ruedas de paletas para impulsar el flujo en una dirección determinada. [6] El estanque recolecta biomasa de manera continua mientras le devuelve dióxido de carbono y otros nutrientes. Por lo general, los estanques de canalización son muy grandes debido a su baja profundidad de agua. [5]

Otros sistemas

Otros sistemas menos comunes son los de cascada inclinada, en los que el flujo se conduce por gravedad hasta un tanque de retención, desde donde se bombea hacia arriba para volver a empezar. Este sistema puede producir altas densidades de biomasa, pero también implica mayores costos operativos. [7]

Fotobiorreactores (PBR) de uso común

Hoy en día se deben diferenciar tres tipos básicos de fotobiorreactores de algas, pero el factor determinante es el parámetro unificador: la intensidad de la energía solar disponible.

Fotobiorreactor de placas de plástico para el cultivo de microalgas y otros organismos fotosintéticos. Tiene un volumen operativo de 500 litros.

PBR de placa plana

Un reactor de placas consiste simplemente en cajas rectangulares translúcidas dispuestas de forma inclinada o vertical, que a menudo se dividen en dos partes para lograr una agitación del fluido del reactor. Generalmente, estas cajas se disponen en un sistema uniéndolas. Esas conexiones también se utilizan para realizar el proceso de llenado/vaciado, introducción de gas y transporte de sustancias nutritivas. La introducción del gas de combustión ocurre principalmente en la parte inferior de la caja para garantizar que el dióxido de carbono tenga tiempo suficiente para interactuar con las algas en el fluido del reactor. Por lo general, estas placas están iluminadas desde ambos lados y tienen una alta penetración de luz. Las desventajas del diseño de placa plana son la tolerancia de presión limitada y los altos requisitos de espacio. [8]

Fotobiorreactor tubular de vidrio para el cultivo de microalgas y otros organismos fotosintéticos . Tiene un volumen operativo de 4000 litros.

PBR tubular

Un reactor tubular está formado por tubos dispuestos vertical u horizontalmente, conectados entre sí, por los que circula el fluido en suspensión de algas. Los tubos están generalmente hechos de plástico transparente o vidrio de borosilicato , y la circulación constante se mantiene mediante una bomba situada al final del sistema. La introducción del gas se realiza al principio o al final del sistema de tubos. Esta forma de introducir el gas provoca el problema de la deficiencia de dióxido de carbono y una alta concentración de oxígeno al final de la unidad durante la circulación, lo que en última instancia hace que el proceso sea ineficiente. El crecimiento de microalgas en las paredes de los tubos también puede inhibir la penetración de la luz. [8]

Columna de burbujas PBR

Columnas de burbujas verticales, un proyecto de la Universidad EAFIT para utilizar algas para reducir las emisiones de CO 2 .

Un fotorreactor de columna de burbujeo consta de columnas cilíndricas dispuestas verticalmente hechas de material transparente. La introducción de gas se produce en la parte inferior de la columna y provoca una corriente turbulenta que permite un intercambio gaseoso óptimo. El burbujeo también actúa como un agitador natural. La luz suele provenir del exterior de la columna, sin embargo, los diseños más recientes introducen luces dentro de la columna para aumentar la distribución y la penetración de la luz. [8]

Uso industrial

El cultivo de algas en un fotobiorreactor crea un rango limitado de posibilidades de aplicación industrial. Hay tres vías comunes para la biomasa cultivada. Las algas pueden usarse para mejoras ambientales, producción de biocombustibles y alimentos/biopiensos. [9] Algunas compañías energéticas [10] ya establecieron instalaciones de investigación con fotobiorreactores de algas para averiguar cuán eficientes podrían ser en la reducción de las emisiones de CO2 , que están contenidas en los gases de combustión , y cuánta biomasa se producirá. La biomasa de algas tiene muchos usos y puede venderse para generar ingresos adicionales. El volumen de emisiones ahorrado también puede generar ingresos, mediante la venta de créditos de emisión a otras compañías energéticas. [11] Estudios recientes en todo el mundo analizan el uso de algas para tratar aguas residuales como una forma de volverse más sustentable. [12]

El uso de algas como alimento es muy común en las regiones del este asiático [13] y está apareciendo en todo el mundo para su uso en materias primas e incluso productos farmacéuticos debido a sus productos de alto valor. [9] La mayoría de las especies contienen solo una fracción de proteínas y carbohidratos utilizables, y una gran cantidad de minerales y oligoelementos. En general, el consumo de algas debe ser mínimo debido al alto contenido de yodo , particularmente problemático para quienes padecen hipertiroidismo . Asimismo, muchas especies de algas diatomeas producen compuestos peligrosos para los humanos. [14] Las algas, especialmente algunas especies que contienen más del 50 por ciento de aceite y una gran cantidad de carbohidratos, se pueden utilizar para producir biodiésel y bioetanol extrayendo y refinando las fracciones. La biomasa de algas se genera 30 veces más rápido que alguna biomasa agrícola, [15] que se utiliza comúnmente para producir biodiésel.

Microgeneración

La Casa del Cociente Biointeligente (BIQ) en Hamburgo

La Casa BIQ  [de] construida en 2013 [16] [17] en Alemania es una casa biónica experimental que utiliza paneles de fachada de vidrio para el cultivo de microalgas . [18] Una vez que los paneles se calientan, también se puede extraer energía térmica a través de un intercambiador de calor para suministrar agua caliente al edificio. [18] La tecnología aún se encuentra en una etapa temprana y aún no es apta para un uso más amplio.

La Green Power House de Montana, Estados Unidos, utilizó una tecnología de acuicultura de algas recientemente desarrollada dentro de un sistema que utiliza la luz solar y los desechos leñosos de un aserradero para proporcionar nutrientes a ocho estanques de algas del AACT que cubren su piso. [19] Los desafíos identificados de las fachadas de algas incluyen la durabilidad de los paneles de microalgas, la necesidad de mantenimiento y los costos de construcción y mantenimiento [20]

En 2022, los medios de comunicación informaron sobre el desarrollo de biopaneles de algas por parte de una empresa para la generación de energía sostenible con una viabilidad poco clara. [21] [22]

Véase también

Referencias

  1. ^ Zhu, Yunhua; Schmidt, Andrew J.; Valdez, Peter J.; Snowden-Swan, Lesley J.; Edmundson, Scott J. (21 de marzo de 2022). Licuefacción hidrotermal y mejora de microalgas cultivadas en aguas residuales: estado de la tecnología de 2021 (informe). Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), Richland, WA (Estados Unidos). doi :10.2172/1855835.
  2. ^ ab Hu, Qiang; Richmond, Amos (4 de junio de 2013). Manual de cultivo de microalgas. Wiley. ISBN 978-0-470-67389-8.OCLC 827267000  .
  3. ^ "Achmed Khammas - Das Buch der Synergie - Teil C - Die Geschichte der Solarenergie". www.buch-der-synergie.de . Consultado el 3 de mayo de 2022 .
  4. ^ ab Su, Yanyan (marzo de 2021). "Revisitando los metabolismos del carbono, nitrógeno y fósforo en microalgas para el tratamiento de aguas residuales". Science of the Total Environment . 762 : 144590. Bibcode :2021ScTEn.76244590S. doi :10.1016/j.scitotenv.2020.144590. ISSN  0048-9697. PMID  33360454. S2CID  229696313.
  5. ^ ab Costa, Jorge Alberto Vieira; Freitas, Bárbara Catarina Bastos; Santos, Thaisa Duarte; Mitchell, Bryan Gregorio; Morais, Michele Greque (2019), "Sistemas de estanques abiertos para cultivo de microalgas", Biocombustibles a partir de algas , Elsevier , págs. 199-223, doi :10.1016/b978-0-444-64192-2.00009-3, ISBN 978-0-444-64192-2, S2CID  146179919 , consultado el 3 de mayo de 2022
  6. ^ Huesemann, M.; Williams, P.; Edmundson, Scott J.; Chen, P.; Kruk, R.; Cullinan, V.; Crowe, B.; Lundquist, T. (1 de septiembre de 2017). "El fotobiorreactor simulador de estanque de algas ambientales de laboratorio (LEAPS): validación utilizando cultivos de estanques al aire libre de Chlorella sorokiniana y Nannochloropsis salina". Algal Research . 26 : 39–46. Bibcode :2017AlgRe..26...39H. doi : 10.1016/j.algal.2017.06.017 . ISSN  2211-9264. OSTI  1581797.
  7. ^ Richmond, Amos; Hu, Qiang, eds. (7 de mayo de 2013). Manual de cultivo de microalgas. doi :10.1002/9781118567166. ISBN 9781118567166.
  8. ^ abc Yen, Hong-Wei; Hu, I-Chen; Chen, Chun-Yen; Nagarajan, Dillirani; Chang, Jo-Shu (2019), "Diseño de fotobiorreactores para el cultivo de algas", Biofuels from Algae , Elsevier, págs. 225–256, doi :10.1016/b978-0-444-64192-2.00010-x, ISBN 978-0-444-64192-2, S2CID  239352174 , consultado el 3 de mayo de 2022
  9. ^ ab Guedes, A. Catarina; Amaro, Helena M.; Sousa-Pinto, Isabel; Malcata, F. Xavier (2019), "Biomasa gastada de algas: un conjunto de aplicaciones", Biocombustibles a partir de algas , Elsevier, págs. 397–433, doi :10.1016/b978-0-444-64192-2.00016-0, ISBN 9780444641922, S2CID  134091203 , consultado el 4 de mayo de 2022
  10. ^ Patel, Sonal (1 de mayo de 2016). "Un proyecto innovador de captura de carbono con algas". Powermag . Texas, EE. UU.: powermag.com . Consultado el 16 de noviembre de 2018 .
  11. ^ Umweltbundesamt Archivado el 21 de julio de 2009 en Wayback Machine.
  12. ^ Kumar, Vinod; Jaiswal, Krishna Kumar; Verma, Monu; Vlaskin, Mikhail S.; Nanda, Manisha; Chauhan, Pankaj Kumar; Singh, Ajay; Kim, Hyunook (junio de 2021). "Enfoque sostenible basado en algas para la eliminación simultánea de microcontaminantes y bacterias de las aguas residuales urbanas y su reutilización en tiempo real para la acuicultura". Science of the Total Environment . 774 : 145556. Bibcode :2021ScTEn.77445556K. doi :10.1016/j.scitotenv.2021.145556. ISSN  0048-9697. S2CID  234062541 – vía Science Direct .
  13. ^ "Las algas, el alimento que podría salvar a la humanidad". Le Monde . Francia: worldcruch.com. 9 de julio de 2016. Consultado el 16 de noviembre de 2018 .
  14. ^ "Diatomeas tóxicas". Centro de Ciencias Pesqueras del Noreste de la NOAA . NOAA . 1 de septiembre de 2014. Consultado el 16 de noviembre de 2018. la familia Pseudo-nitzschia; en determinadas condiciones, estas diatomeas pueden producir toxinas dañinas para los humanos .
  15. ^ Ullah, Kifayat; Ahmad, Mushtaq; Sofia; Sharma, Vinod Kumar; Lu, Pengmei; Harvey, Adam; Zafar, Muhammad; Sultana, Shazia; Anyanwu, CN (2014). "La biomasa de algas como fuente global de combustibles para el transporte: descripción general y perspectivas de desarrollo". Progreso en las ciencias naturales: Materiales Internacionales . 24 (4): 329–339. Bibcode :2014PNSMI..24..329U. doi : 10.1016/j.pnsc.2014.06.008 .
  16. ^ Talaei, Maryam; Mahdavinejad, Mohammadjavad; Azari, Rahman (1 de marzo de 2020). "Rendimiento térmico y energético de fachadas biorreactivas de algas: una revisión". Journal of Building Engineering . 28 : 101011. doi :10.1016/j.jobe.2019.101011. ISSN  2352-7102. S2CID  210245691.
  17. ^ Wilkinson, Sara; Stoller, Paul; Ralph, Peter; Hamdorf, Brenton; Catana, Laila Navarro; Kuzava, Gabriela Santana (1 de enero de 2017). "Explorando la viabilidad de la tecnología de construcción con algas en Nueva Gales del Sur". Procedia Engineering . 180 : 1121–1130. doi : 10.1016/j.proeng.2017.04.272 . ISSN  1877-7058.
  18. ^ ab Nazareth, Aaron (2018). "Arquitectura biónica". Proyecto de investigación. Instituto Tecnológico Unitec: 1–69.
  19. ^ Proksch, Gundula (2012). "Cultivo sostenible: integración del cultivo de algas en el entorno construido". Edinburgh Architecture Research EAR . 33 .
  20. ^ Talaei, Maryam; Mahdavinejad, Mohammadjavad; Azari, Rahman; Haghighi, Hadi Motevali; Atashdast, Ali (1 de agosto de 2022). "Rendimiento térmico y energético de una fachada biorreactiva de microalgas que responde al usuario para la adaptabilidad climática". Tecnologías y evaluaciones de energía sostenible . 52 : 101894. Bibcode :2022SETA...5201894T. doi :10.1016/j.seta.2021.101894. ISSN  2213-1388. S2CID  246353563.
  21. ^ "Las ventanas de biopaneles de algas generan energía, oxígeno y biomasa, y absorben CO2". Nuevo Atlas . 11 de julio de 2022 . Consultado el 21 de agosto de 2022 .
  22. ^ Paleja, Ameya (13 de julio de 2022). "Los paneles llenos de algas podrían generar oxígeno y electricidad mientras absorben CO2". interestingengineering.com . Consultado el 21 de agosto de 2022 .

Lectura adicional

  • Acién Fernández, FG; Fernández Sevilla, JM; Sánchez Pérez, JA; Molina Grima, E.; Chisti, Y. (2001). "Fotobiorreactores tubulares de circuito externo impulsados ​​por puente aéreo para la producción de microalgas al aire libre: evaluación del diseño y rendimiento". Ciencias de la Ingeniería Química . 56 (8): 2721–2732. Código Bib : 2001ChEnS..56.2721A. CiteSeerX  10.1.1.494.1836 . doi :10.1016/S0009-2509(00)00521-2.
  • Borowitzka, Michael A. (1999). "Producción comercial de microalgas: estanques, tanques y fermentadores". Ingeniería de bioprocesos marinos, actas de un simposio internacional organizado bajo los auspicios del Grupo de trabajo sobre biocatálisis aplicada de la Federación Europea de Biotecnología y la Sociedad Europea de Biotecnología Marina . Progreso en microbiología industrial. Vol. 35. págs. 313–321. doi :10.1016/S0079-6352(99)80123-4. ISBN 9780444503879.
  • Carlsson, AS; Van Beilen, JB; Möller, R.; Clayton, D. (2007). Bowles, Dianna (ed.). Microalgas y macroalgas: utilidad para aplicaciones industriales (PDF) . CPL Press. ISBN 978-1-872691-29-9.
  • Chisti, Yusuf (2007). "Biodiesel a partir de microalgas". Avances en biotecnología . 25 (3): 294–306. doi :10.1016/j.biotechadv.2007.02.001. PMID  17350212.
  • Cómo un empresario mató a su inversor. 18 de agosto de 2016
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