ARCHIVOS MENSUALES: MAYO 2011
Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas Parte 2. Bioproceso y Especifidades
Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas
Parte 2. Bioproceso y Especifidades
Reinhardt Acuña Torres
Biocombustibles
Los biocombustibles son combustibles que se producen orgánicamente y a diferencia de los combustibles fósiles son una fuente de energía renovable. La fuente orgánica de los biocombustibles proviene de la biomasa (materia orgánica originada en un proceso biológico)utilizable como fuente de energía; esta pude ser, especies de uso agrícola, tales como: maíz o mandioca (yuca), ricas en carbohidratos; caña de azúcar o remolacha, ricas en azucares; o plantas oleaginosas como la soja, girasol y palma aceitera, ricas en aceites.
El biodiesel es un biocombustible sintético líquido fabricado, mayormente, a partir de aceites vegetales de plantas oleaginosas (soja, palma, etc.), el cual, actualmente representa una buena opción para reemplazar al diesel convencional y combatir las problemáticas relacionadas con la contaminación ambiental y el efecto invernadero. El biodiesel es completamente biodegradable yno contribuye al efecto invernadero por el hecho de que, no emite ese tipo de gases al medioambiente; y si bien produce CO2, por efecto de la combustión; éste es rápidamente absorbido por las plantas vegetales, a diferencia del diesel convencional. Se calcula que en 20 días, se puede lograr una eliminación completa; es decir, en 20 días no quedarán rastros de la combustión con biodiesel.
La pregunta que surge es ¿Por qué entonces el biodiesel no se utiliza a gran escala como combustible, siendo tan amigable con el ambiente? La respuesta, como siempre, en la actualidad, es basada solamente en aspectos económicos; porque aún no se puede producir biodiesel a gran escala, al mismo precio del diesel convencional; para abastecer una producción a gran escala, se necesitarían muchas hectáreas de plantaciones para producir el aceite requerido para fabricar el biocombustible; eso sin mencionar que por ejemplo, la soja y la palma, entre otros, son considerados alimentos por lo cual, muchas personas consideran una aberración utilizarlos para producir energía, mientras aún hay gente en el mundo que muere de hambre.
En ese sentido, la producción de biocombustible a partir de microalgas ofrece tanto a investigadores como a empresarios una serie de posibilidades promisorias:
ü Alta productividad por hectárea, en comparación con los cultivos tradicionales
ü Estos microorganismos pueden acumular hasta un 70% de lípidos en relación a su peso seco
ü Materia prima basada en usos “non-food”
ü Uso de tierras no productivas o no arables
ü Utilización de un amplio rango de tipos de agua (dulce, salobre, marina y residual)
ü Producción de varios tipos de biocombustibles y subproductos valorizables.
Bioproceso
Como se observa en el esquema de cultivo y producción, el bioproceso de producción de biodiesel a partir de microalgas oleaginosas, consta de varias etapas claramente diferenciadas.
1. Cultivo de Microalgas
2. Crecimiento en Fotobioreactores
3. Cosechado de Microalgas
4. Procesado de Biomasa
5. Producción de Biocombustible
Cultivo de Microalgas
Para efectos del bioproceso de producción de biocombustible algal, el cultivo de microalgas debe separarse en dos procesos.
1. Cultivo en Estanques
ü Abiertos
ü Cerrados
2. Cultivo en Fotobioreactores
ü Tubulares
· Horizontal
· Vertical
ü Panel Plano
ü Columna Vertical
ü Columna de Burbujas
ü Levantamiento por Aire
ü Tanque Agitado
ü Lecho Inmovilizado
ü Otros
De todos ellos, el fotobiorreactor tubular es el más ampliamente utilizado para el cultivo cultivo masivo de microalgas.
Cultivo en Estanques
Cultivo en Estanques Abiertos
El cultivo de algas en estanques abiertos puede ser categorizado en dos:
1. Aguas naturales (lagos, lagunas, estanques) y
2. Estanques artificiales o contenedores.
Estanques Abiertos de Aguas Naturales
Entre las principales ventajas de los estanques abiertos están que son más fáciles de construir y operar, si se les compara con la mayoría de los sistemas cerrados. Las desventajas son la deficiente utilización de la luz por las células en cultivo; las pérdidas por: evaporación, difusión de CO2 a la atmósfera; y la exigencia de grandes extensiones de tierra.
Estanques Abiertos Artificiales
Los estanques o contenedores en los que las microalgas se cultivan de manera artificial o asistida son por lo general, del tipo "pista de carrera". Se denominan así porque la biomasa (las microalgas, el agua y los nutrientes) fluye por el sistema como si circulara por una pista de carreras.
Ruedas de paletas motorizadas proporcionan el flujo para que las microalgas circulen y se mantengan suspendidas en el agua. Los estanques de cultivo son poco profundos ya que, deben permitir que las microalgas se mantengan expuestas a la luz solar y que ésta pueda penetrar el agua del estanque y alcanzar a todas las células en cultivo, a una profundidad limitada. Los estanques artificiales son operados de manera continua por lo que, el CO2 y los nutrientes son constantemente alimentados a los estanques; mientras que, las microalgas que contienen agua son eliminas por el otro extremo; para mantener el principio de flujos iguales en el estado estacionario.
Cultivo en Estanques Cerrados
Una alternativa a los estanques de cultivo abiertos son los estanques cerrados; eso es, cubrir el estanque o la piscina con efecto invernadero, para el control sobre el medio ambiente sea mucho mejor (que con los estanques abiertos). Los sistemas de estanque cerrado cuestan más que las lagunas abiertas, pero mucho menos los fotobioreactores para las áreas similares de operación. Permiten cultivar más especies o que, la especie que se cultiva permanezca dominante; extiende la temporada de crecimiento y si hay calefacción, se puede producir durante todo el año. En los sistemas cerrados es posible aumentar la cantidad y la concentración de dióxido de carbono lo que, aumenta la tasa de crecimiento de las microalgas.
Crecimiento en Fotobioreactores
Un fotobioreactor es un sistema cerrado de cultivo biológico que incorpora algún tipo de fuente de luz y control de su ambiente interno. En ese sentido, un estanque cerrado, tal como, laguna cubierta con efecto invernadero, podría ser considerada como una forma poco sofisticada de fotobioreactor; por lo que, el control preciso del ambiente interno, establece la diferencia.
Los principales factores que se deben controlar son los que determinan la tasa de crecimiento de las microalgas.
ü Especie Cultivada – los diferentes tipos de microalgas (especies) tienen diferentes tasas de crecimiento.
ü Luz – indispensable para el proceso de la fotosíntesis.
ü Fotoperíodo – son los ciclos de luz y de oscuridad, indispensables para el metabolismo celular.
ü Temperatura – hay un rango de temperatura y una temperatura optima que requiere el cultivopara crecer.
ü Medio / Nutrientes – el medio de cultivo debe tener una composición específica que maximice el crecimiento de los microorganismos al menor costo.
ü El Agua – existen especies de microalgas de agua dulce y de agua salobre; por lo que, lasalinidad de agua es una consideración importante.
ü pH – las microalgas tienen un rango de acidez cuyo pH varía entre 7 y 9; así como un pH óptimopara tener una tasa de crecimiento óptima, según sea la especie cultivada.
ü Aireación – las microalgas tienen necesidad de estar en contacto con el aire para eliminar sus emisiones de CO2. No obstante un exceso de aireación puede ocasionar una disminución del crecimiento por inhibición por O2.
ü Inyección de CO2 – las microalgas metabolizan el CO2 disuelto en el agua para producir azucares vía fotosíntesis.
ü Mezclado – el mezclado impide la sedimentación de las microalgas y asegura que de todas lascélulas en el cultivo estén igualmente expuestas a la luz.
El conjunto generalizado de las condiciones para el cultivo de microalgas es el siguiente
Parámetro
|
Rango
|
Optimo
|
Temperatura (°C)
|
16-27
|
18-24
|
La salinidad (g/l)
|
12-40
|
20-24
|
Intensidad de la luz (lux)
|
1,000-10,000
(Depende del volumen y densidad) |
2,500-5,000
|
Fotoperiodo (luz: oscuridad, horas)
|
16:08 (mínimo)
24:0 (máximo) | |
pH
|
7-9
|
8.2-8.7
|
Características Principales de los Fotobioreactores Para el Cultivo de Microalgas
ü Para alcanzar una alta productividad de biomasa,
ü El volumen de las partes no iluminadas del fotobioreactor debe ser minimizado.
ü Para lograr una alta eficiencia en el uso de la luz para el cultivo de las microalgas,
ü El fotobioreactor debe contar con una iluminación uniforme para toda la superficie de cultivo.
ü Para alcanzar tasas de transferencia de masa de CO2 y O2 rápidas,
ü El fotobioreactor debe tener un sistema de mezclado eficiente.
ü Deben alcanzarse tasas altas de transferencia de masa pero sin,
ü Dañar el cultivo de celular, ni reprimir su crecimiento.
ü Para evitar el decaimiento de la luz que se transmite a la superficie del fotobioreactor,
ü El fotobioreactor debe tener un sistema interno de limpieza y esterilización; o bien,
ü Deben ser frecuentemente cerrado para su limpieza mecánica y esterilización.
Componentes de Sistema y Subsistemas de los Fotobioreactores Para el Cultivo de Microalgas
Un fotobioreactor para el cultivo de microalgas es un sistema complejos compuesto por sistemas principales y sus respectivos subsistemas.
Los sistemas principales son:
ü Sistema de iluminación
ü Sistema de transmisión óptico
ü Sistema de tratamiento de aire estéril
ü Sistemas de intercambio de gases
ü Sistema de mezclado
ü Sistema de Nutrientes
ü Sistema eléctrico
ü Instrumentación del sistema
Los principales sub-componentes del sistema anterior son:
ü Sensor de oxígeno disuelto
ü Sensores de CO2 disuelto
ü Sensor de temperatura
ü Sensor de pH
ü Sensor de luz
ü Sensor de conductividad
ü Bomba de recirculación
ü Bomba de Cosecha
ü Válvula de inyección de CO2
ü Bomba de Sustrato
ü Válvula de recirculación de filtrado
ü Válvula de entrada de agua
ü Válvula de purga de agua
ü Conectores y mangueras
ü Sistema de liberación de oxígeno
ü Sistema de alimentación del tanque
ü PLC
ü Panel de control
Para garantizar una operación óptima, tanto sistemas como subsistemas deben interactuar; por ejemplo, el sistema de transmisión óptica y el sistema de intercambio de gases interactúan a través de la mezcla que se produce en la zona de reacción.
Cosechado de las Microalgas
El término recolección de algas se refiere a la concentración de la suspensión celular de microalgas hasta lograr una “pasta gruesa” conocida como pasta de algas.
La separación de las microalgas de su medio de cultivo es conocido como la cosecha. Los métodos de cosecha dependen principalmente del tipo de algas. El alto contenido de agua de la biomasa debe ser removido para permitir la recolección.
Para la recolección de microalgas a partir de algas de cultivo en estanques o fotobioreactores se deben emplear varias técnicas para concentrar las microalgas seguido de la cosecha.
El bioproceso de la cosecha consta de varios procesos en operaciones unitarias
Estas operaciones unitarias deben ser eficientes en energía y relativamente baratas para que el bioproceso sea rentable; por eso la selección de cepas es un aspecto importante.
Normalmente, la cosecha de microalgas es un bioproceso de un paso; pero cuando el contenido de agua en la biomasa (peso húmedo) es muy alto, el bioproceso de cosecha se realiza dos pasos:recolección y desecación.
Filtración de Microalgas
La filtración es un proceso de separación de sólidos en suspensión en un líquido a través de unmedio poroso que retiene los sólidos, pero permite el paso del líquido. El proceso de ultrafiltración tangencial cerámica (UFTC) se aplica en procesos en donde la alimentación contiene un alto nivel de carga; es decir, es un influente con alto contenido de sólidos en suspensión (SS). Un equipo de UFTC se compone de dos depósitos de acumulación, un sistema de bombeo de presión y los filtros cerámicos; también debe existir un sistema hidráulico secundario que se encarga de limpiar las membranas a contracorriente, para mantener el rendimiento del sistema.
Arriba, un sistema UFTC consta de las siguientes etapas.
ü RETENIDO: tanque donde se admite la alimentación (biomasa o cultivo celar) y mediante una sonda de nivel, se va aportando el fluido, en la medida que, el circuito de control así lo determina.
ü BOMBA: realiza la recirculación del caldo de cultivo (biomasa) a la velocidad tangencial requerida por el fabricante de las membranas.
ü FILTRO UFTC: realiza la separación de flujos. El concentrado hacia el retenido y el diluido hacia el filtrado.
ü FILTRADO: depósito del flujo filtrado que contiene la solución diluida de la biomasa.
Abajo una ilustración que representa un filtro de membranas cerámicas
El flujo de entrada se hace de forma axial con lo cual, las partículas inciden de forma tangencial en la membrana; eso provoca la separación de las partículas líquidas (azules) de las sólidas (rojas); en consecuencia, se separa el caudal de entrada (flujo concentrado) del caudal de salida (flujo diluido) en dos corrientes; la de concentrado que vuelve al retenido y la filtrado que va al filtrado.
Coagulación y Floculación
La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado.
El proceso de floculación es precedido por el de coagulación; por eso, se suelen asociar ambos procesos como uno solo proceso de coagulación-floculación. Los procesos de coagulación-floculación facilitan el retiro de sólidos en suspensión y de las partículas coloidales.
ü La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí.
ü La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados sedimentadores.
Los factores que afectan los procesos de coagulación-floculación son:
ü El gradiente de la velocidad: da más tiempo para que las partículas desciendan por efecto de la gravedad y así se acumulen en el fondo.
ü El tiempo: aumenta la probabilidad de que las partículas se unan.
ü El pH: es un factor prominente en acción desestabilizadora de las sustancias coagulantes y floculantes.
La solución floculante más adaptada a la naturaleza de las materias en suspensión permite conseguir aguas decantadas más limpias y la formación de lodos más espesos. La solución floculante más adaptada se determina por pruebas; ya sea, en laboratorio o en el campo. Tratándose del cultivo de microalgas, la floculación hace que las células se agregan en grupos más grandes, llamados flóculos, que son más fáciles de filtrar y o resolver con mayor rapidez.
La floculación iónica es un proceso por el cual se modifican las moléculas disueltas en un fluido, por la acción floculadores iónicos. Éstos son elementos de materiales compuestos por tubos de acero inoxidable, plata o cobre que, conectados en su extremo a polos de corriente directa (positiva o negativa), que, sumergidos en el fluido producen un campo de baja intensidad de actividad iónica constante, que incrementa la energía de los electrones de enlace; ocasionado la coagulación. La floculación iónica es un proceso que fácilmente puede ser adaptado al cultivo de microalgas.
Centrifugación
La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza rotativa, la cual imprime a la mezcla con una fuerza mayor que la de la gravedad, provocando la sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad. La centrifugación puede utilizarse como método de separación de las microalgas de su medio de cultivo; para eso debe utilizarse una centrifugadora para lograr que las microalgas se depositen en el fondo del depósito. Existen 2 grandes tipos de centrífugas:
1) Centrífugas De Sedimentación:
Esta contiene un cilindro o un cono de pared sólida que gira alrededor de un eje horizontal o vertical. Por fuerza centrífuga, una capa anular de líquido de espesor fijo se sostiene contra la pared. A causa de que esta fuerza es bastante grande comparada con la de la gravedad, la superficie del líquido se encuentra esencialmente paralela al eje de rotación, independientemente de la orientación de la unidad. Las fases densas "se hunden" hacia fuera y las fases menos densas se levantan hacia dentro. Las partículas pesadas se acumulan sobre la pared y deben retirarse continua y periódicamente.
2) Centrífugas De Filtro:
Estas operan como el tambor de rotación de una lavadora doméstica. La pared de la canasta está perforada y cubierta con un medio filtrante, como una tela o una rejilla fina, el líquido pasa a través de la pared impelido por la fuerza centrífuga dejando una torta de sólidos sobre el medio filtrante. La rapidez de filtración se incrementa con esta fuerza y con la permeabilidad de la torta sólida. Algunos sólidos compresibles no se filtran bien en una centrífuga a causa de la deformación que sufren las partículas por la acción de la fuerza centrífuga, por lo que la permeabilidad de la torta se ve reducida considerablemente. La cantidad de líquido que se adhiere a los sólidos después que éstos se han centrifugado depende también de la fuerza centrífuga aplicada; en general, el líquido retenido es considerablemente menor que el que queda en la torta que producen otros tipos de filtros.
El Proceso de Extracción de Aceite de las Microalgas
El proceso de extracción de aceite (biolípidos) a partir de microalgas oleaginosas es el punto espinoso para determinar la viabilidad del biodiesel a base de algas como un bioproceso productivo y rentable; eso por cuanto es la parte más costosa del proceso. Pero en términos de concepto, es bastante simple.
El bioproceso de la extracción puede realizarse por dos métodos:
Los métodos mecánicos pueden ser:
ü Prensa mecánica
ü Extracción asistida por ultrasonido
Los métodos químicos pueden ser:
ü Extracción por solvente (hexano)
ü Método Soxhlet (extracción por arrastre con vapor)
ü Extracción por fluido supercrítico (CO2)
Cada método tiene sus ventajas e inconvenientes:
ü La prensa mecánica requiere secar las micro algas y utiliza energía intensiva; pero el aceite obtenido es limpio y “virgen”.
ü El uso de solventes químicos presenta cuestiones de salud y seguridad humana y animal; pero para el uso como biodiésel, esos cuestionamientos no son válidos.
ü La extracción supercrítica requiere de equipos de alta presión que son cotosos y también consume mucha energía; pero puede aplicarse en con gran facilidad de extracción en sistemas cerrados o continuos.
Prensa Mecánica
El método mecánico de extracción más simple es el prensado; también es conocido como “expresión”. En el bioproceso de expresión la biomasa es sometida a una presión diferencial que ocasiona la ruptura de las células y libera el material que estas contienen. La operación de prensado puede ser “artesanal” en operaciones por tandas “batch”, o en una operación continua, con equipos de prensado del tipo:
ü Tornillo sin fin de:
· Alta presión
· Baja presión,
ü Extractor expulsor,
ü Extractor centrífugo,
ü Extractor decantador y
ü Rodillos de prensa.
Extracción con Ayuda de Ultrasonidos
Modernamente la extracción es asistida con métodos ultrasónicos, el ultrasonido es una rama de sonoquímica puede acelerar enormemente los procesos de extracción. Las ondas ultrasónicas se utilizan para crear burbujas de cavitación en el medio de cultivo; cuando estas burbujas colapsan(estallan) cerca de las paredes celulares, se crean ondas de choque y chorros de líquido que hacen que las paredes de las células se rompan y liberen su contenido en el medio de cultivo.
Métodos Químicos
Extracción con Solvente (hexano)
El aceite de las microalgas puede ser extraído por medio de productos químicos como solventes,tradicionalmente se utilizan benceno y el éter pero, para microalgas, el hexano ha probado ser un producto químico popular y es relativamente barato. El hexano como disolvente de extracción se puede utilizar.
ü De forma aislada o
ü Junto con la prensa de expresión de aceite.
De forma aislada:
La biomasa previamente debe de ser molida, macerada o picada, para crear una mayor área de contacto entre el sólido y el solvente. El proceso debe procurar el material orgánico esté en contacto con el solvente (hexano) y en movimiento continuo (agitación) para lograr mayor eficiencia en la operación. La operación se realiza preferiblemente a temperatura y presión ambiente, debido a la volatilidad e inflamabilidad del hexano. La operación se realiza por lotes o tandas. El aceite y el hexano se separan por medio de la destilación y puede ser reutilizado.
Junto con la prensa de expresión de aceite:
Primero se realiza la extracción del aceite por expresión en prensa; la pasta restante se mezcla con ciclo-hexano para extraer el contenido de aceite restante. El aceite se disuelve en el ciclohexano y la pulpa se filtra fuera de la solución. El aceite y el ciclohexano se separan por medio de la destilación. Con la combinación de los dos métodos (prensado en frío y solvente hexano) se puede extraer más del 95% del total de aceite presente en las micro algas.
Extracción Soxhlet
El método Soxhlet de extracción utiliza una combinación de destilación fraccionada con solventes químicos. El aceite de las microalgas se extrae destilando con reflujo a través de varias etapas, con un disolvente orgánico como hexano o éter de petróleo.
Extracción por Arrastre con Vapor
La destilación por arrastre de vapor de agua se basa en la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". La vaporización se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla; por eso se le denomina "vapor de arrastre"; pero en realidad, su función no es la de "arrastrar" el componente volátil, sino, más bien, la de condensar el vapor en un contenedor, formando otra fase inmiscible que, cederá su calor latente a la mezcla a destilar, para lograr su evaporación. Es decir, se tendrán dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa); por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente; eso es, cada líquido ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. La presión total del sistema será la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla orgánica y del agua. La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente. En el caso de las microalgas, el arrastre por vapor de agua busca la vaporación selectiva del aceite esencial (componente volátil) de una mezcla formada por la pasta de biomasa de microalgas y agua.
Extracción con Fluido Supercrítico (CO2)
Un fluido supercrítico (FSC) es cualquier sustancia que se encuentre en condiciones de presión ytemperatura superiores a su punto crítico. Los fluidos supercríticos tienen propiedades que los hacen “híbridos” entre un líquido y un gas; se pueden difundir como un gas y disolver líquido. La Tabla 1 muestra las propiedades de algunos FSC comúnmente usados.
Tabla 1. Propiedades críticas de varios solventes (Reid et al, 1987)
| |||||
Solvente
|
Peso molecular
|
Tº crítica
|
Presión crítica
|
Densidad crítica
| |
g/mol
|
g/cm3
| ||||
Dióxido de carbono (CO2)
|
44,01
|
304,1
|
7,38 (72,8)
|
0,469
| |
Agua (H2O)
|
18,02
|
647,3
|
22,12 (218,3)
|
0,348
| |
Metano (CH4)
|
16,04
|
190,4
|
4,60 (45,4)
|
0,162
| |
Etano (C2H6)
|
30,07
|
305,3
|
4,87 (48,1)
|
0,203
| |
Propano (C3H8)
|
44,09
|
369,8
|
4,25 (41,9)
|
0,217
| |
Etileno (C2H4)
|
28,05
|
282,4
|
5,04 (49,7)
|
0,215
| |
Propileno (C3H6)
|
42,08
|
364,9
|
4,60 (45,4)
|
0,232
| |
Metanol (CH3OH)
|
32,04
|
512,6
|
8,09 (79,8)
|
0,272
| |
Etanol (C2H5OH)
|
46,07
|
513,9
|
6,14 (60,6)
|
0,276
| |
Acetona (C3H6O)
|
58,08
|
508,1
|
4,70 (46,4)
|
0,278
|
La Tabla 2 muestra densidad, difusividad y viscosidad de líquidos típicos, gases y fluidos supercríticos.
Tabla2. Comparación de Gases, Fluidos Supercríticos y Líquidos1
| |||
Densidad (kg/m3)
|
Viscosidad (µPa∙s)
|
Difusividad (mm²/s)
| |
Gases
|
1
|
10
|
1-10
|
Fluidos Supercríticos
|
100-1000
|
50-100
|
0,01-0,1
|
Líquidos
|
1000
|
500-1000
|
0,001
|
Por su facilidad y disposición, la sustancia más empleada es el CO2 que en condiciones supercríticas presenta baja viscosidad, baja tensión superficial, alto coeficiente de difusión (10 veces más que un líquido normal) lo que conlleva a un alto contacto con la superficie del material y permite penetrar en pequeños poros y rendijas, lo que asegura una buena eficiencia en la extracción en el corto tiempo. Al final del proceso se remueve el total del solvente (CO2), si se realiza a una temperatura baja, se disminuye la pérdida de sustancias volátiles y se evita la formación de sabores y olores extraños “a cocido”.
Biodiesel de algas
El biodiesel se refiere a cualquier biocombustible equivalente al diesel hecho a partir de materiales biológicos renovables tales como: aceites vegetales o grasas animales. El biocombustible consiste en larga cadena de hidrocarburos saturados; puede ser utilizado en su estado puro (B100) o mezclado con diesel de petróleo en cualquier concentración. Tradicionalmente, el biodiesel se fabrica a partir de cultivos de plantas oleaginosas como el maíz, la soja o la palma aceitera; sin embargo, el biodiesel hecho a partir de eso cultivos, presenta problemas socioeconómicos como el desplazamiento de los alimentos destinados al consumo humano y la cantidad de cultivos que se necesita para producir un galón de aceite. Es esa una de las razones por las que las algas son hoy día reconsideradas como materia prima para aceite. Además de que su rendimiento es muy superior al de cualquier otro cultivo tradicional (DOE: Departamento de Energía, Gobierno de EE.UU. ha informado de que las microalgas tienen unrendimiento 30 veces superior en energía por hectárea que los cultivos de tierra como la soja o e maíz; algunos estiman incluso rendimientos mayores a 15.000 galones por acre). Vea más:http://www.oilgae.com/algae/oil/biod/large_scale/large_scale.html
Una vez que las algas se cultivan y cosechan, hay diferentes maneras de extraer el aceite; sea cual sea, el método utilizado para la extracción del aceite, el producto resultante es un aceite vegetal llamado "crudo verde", similar al petróleo crudo, el cual se transforma en biodiesel a través de un proceso de transesterificación.
Transesterificación
El proceso de conversión aceites vegetales en combustible biodiesel se denomina transesterificación y es, afortunadamente, mucho menos complejo de lo que parece. El término transesterificación se refiere a una reacción química entre un éster de un alcohol y un segundo alcohol para formar un segundo éster de alcohol y un alcohol del éster original; por ejemplo, acetato de metilo y alcohol etílico para formar acetato de etilo y alcohol metílico.
En el caso de los aceites esenciales de las microalgas, la transesterificación significa tomar una molécula de triglicéridos o ácidos grasos complejos (aceite esencial), neutralizando los ácidos grasos libres (producto de la reacción) y eliminando la glicerina (subproducto de la reacción) y la creación de un éster de alcohol. Eso se logra mezclando metanol con hidróxido de sodio para formar metóxido de sodio; éste se mezcla con el aceite vegetal; se permite que la mezcla reaccione; luego la mezcla se separa por decantación; el producto se queda arriba (fase orgánica) y la glicerina en la parte inferior (fase acuosa); los ésteres de metilo se recogen como biodiesel y la glicerina se puede utilizar para hacer jabón o cualquiera de otros 1600 productos que tienen su base en este compuesto. Posteriormente, los ésteres metílicos se lavan y se filtran para su utilización como producto terminado (B100).
Características del biodiesel de microalgas:
ü Prácticamente no contiene azufre,
ü Tiene propiedades lubricantes superiores,
ü Tiene propiedades disolventes más agresivas que diesel de petróleo
ü El biodiesel de microalgas tiene entre 5% y 8% menos densidad de energía que el diesel de petróleo de pero, su eficiencia de combustión es más alta
ü El biodiesel de microalgas tiene una mejor lubricación,
ü Compensando, la disminución total de su eficiencia de combustible es de tan sólo 2%,
ü El punto de nube (temperatura a la cual el biodiesel puro (B100) se gelifica) es de unos 0°C,
ü El punto de inflamación (menor temperatura a la que se puede evaporar para formar una mezcla inflamable en el aire) del biodiesel de microalgas es de 130°C, significativamente mayor que la del diesel de petróleo que es de 64°C,
Ventajas del Biodiesel Producido A Partir de Microalgas:
ü Rendimientos más altos
ü El biodiesel de microalgas reduce las emisiones de partículas alrededor de un 47% en comparación con el diesel de petróleo,
ü El biodiésel microalgas tiene menos peligrosas partículas en suspensión,
ü El biodiésel microalgas reduce la fracción de carbono sólido en el aire,
ü El biodiésel microalgas aumenta la cantidad de oxígeno en el aire, producto del proceso de fotosíntesis,
ü El biodiésel microalgas disminuye la cantidad de dióxido de carbono en el aire, producto del proceso de fotosíntesis.
Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas Parte 1. Teoría y Generalidades
Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas
Parte 1. Teoría y Generalidades
Reinhardt Acuña Torres
Introducción
1- Planta Productora de Biocombustibles A partir de Micro algas Fotosintéticas
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La crisis del petróleo y la dependencia forzada de los países no productores de petróleo, de los que sí lo producen, afecta no solo a la economía de los primeros; sino también, a su autonomía e independencia alimentaria y productiva. Por esa razón, los biocombustibles alcanzan cada vez una mayor relevancia como combustibles alternativos de menor impacto ecológico. El fitoplancton y una extensa variedad de micro algas fotosintéticas, se caracterizan, aparte de ser el alimento de gran parte de la vida marina animal, por contener (ciertas familias y variedades) grandes cantidades de aceites esenciales de alto a mediano peso molecular. Estos aceites pueden reformados mediante diferentes métodos para obtener combustibles de alto peso molecular y potencial energético y flamante, similar al biodiesel. El objeto de este artículo es dar las pautas de diseño y de operación para la construcción de fotobioreactores destinados al cultivo a gran escala de esos microorganismos fotosintéticos.
El Concepto de un Foto Bioreactor para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas
2- Fotobioreactor Moss con Physcomitrella patens
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Un fotobioreactor es un contenedor biológico artificial cuyo ambiente interno es capaz de generar las condiciones necesarias para que la fotosíntesis de las clorofilas existentes en microorganismos, células o tejidos fotosintéticos que en ellos se cultiva, crezca y se desarrollen de manera rápida y eficiente para generar biomasa y los productos metabólicos que se encuentren dentro de ella. En este sentido, el término fotobioreactor se refiere a sistemas cerrados para el medio ambiente externo; es decir, que no tienen intercambio directo de gases y contaminantes con el medio ambiente externo.
3- Microalgas fotosintéticas
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Biotecnológicamente este tipo de bioreactor se utiliza para el cultivo de micro algas con el propósito de fijar CO2 para la producción de biomasa, mediante la reacción de la fotosíntesis que se lleva a cabo por la clorofila que contienen las microalgas. Las microalgas son microorganismosoxigénicos fotoautotróficos que realizan fotosíntesis mediante la siguiente reacción de síntesis:
El CO2 es el reactivo limitante de la velocidad de reacción en los fotobioreactores cuyo propósito de utilización es el cultivo de microalgas.
El propósito de diseño de estos fotobioreactores es cultivar microalgas (biomasa) para produciraceites esenciales de alto peso molecular (producto metabólico).
Constructivamente existen tres tipos básicos de fotobioreactores para el cultivo de microalgas; siendo que la fotosíntesis es el otro el factor determinante que interviene en el bioproceso, laintensidad de la energía solar disponible es el parámetro unificador. Los tres tipos básicos de fotobioreactores para el cultivo de microalgas son:
4- Fotobioreactor panel de platos
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Fotobioreactor de Placa: Un bioreactor de la placa consiste en una serie de paneles o placas interconectadas dispuestas vertical u horizontalmente en cajas rectangulares; a menudo se divide en dos partes para efecto de una agitación con recirculación del líquido (cultivo) del bioreactor. Esas conexiones se utilizan también para realizar el proceso de llenado y vaciado, la introducción de gas (CO2) y el transporte de sustancias nutritivas, fácil. La introducción de los gases de combustión se produce por la parte inferior de la caja o panel, para asegurarse de que el dióxido de carbono tiene suficiente tiempo para interactuar con las microalgas en el seno del líquido del reactor.
5- Fotobioreactor tubular vertical
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Fotobioreactor Tubular:
Un bioreactor tubular se compone de una serie tubos dispuestos vertical u horizontalmente,conectados a un sistema de tuberías. El cultivo es líquido con biomasa en suspensión(microalgas) y debe ser capaz de circular por la tubería. Los tubos deben estar hechos de material transparente como plástico o vidrio y la circulación se mantiene constante por efecto de unabomba impulsora al final del sistema. El gas (CO2) se introduce al final y al principio del sistema de tubos; de esta forma se evitan los problemas de difusión que ocasionan deficiencia de dióxido de carbono y alta concentración de oxígeno, al final de la unidad durante la circulación del fluido(cultivo).
Fotobioreactor de Columna de Burbujas:
Un bioreactor de columna de burbujas de fotos consiste en la columna vertical cilíndrica, hecha de material transparente, que permite la introducción de gas, por la parte inferior de la columna, encondición de flujo turbulento (Re>3000), para un óptimo intercambio de gases.
6- Fotobioreactor de Columna de Burbujas
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Este tipo de bioreactores se construyen con un diámetro máximo de 30 cm (el rango es: 20 cm a 30 cm) con el fin de garantizar el suministro necesario de energía luminosa, ya sea de una fuente natural (luz solar) o de una artificial (luz eléctrica).
Los Aspectos Técnicos del Diseño
El mayor problema cuando se utiliza luz solar es que ésta es muy variable en intensidad; según sea: la región (latitud), el clima (soleado, oscuro) y la estacionalidad del tiempo (estaciones); eso determina que la construcción esté limitada al tamaño más pequeño de diámetro. No obstante, existen métodos para recoger o concentrar la luz del sol como colectores solares en forma de cono o parabólicos y la transferencia de luz con cables de fibra de vidrio (fibra óptica) que se adapten al perfil del bioreactor. En la gran escala, el consumo de energía debido a las bombas y elcosto de fabricación de CO2, pueden pesar más que el CO2 capturado por el bioreactor.
En forma general, el diseño de un fotobioreactor para el cultivo microalgas a gran escala, para uso como biocombustible, debe considerar los siguientes aspectos:
ü Control preciso de la dinámica de fluidos,
ü Número de Reynolds optimizado,
ü Control retroalimentado “feedback” de las variables de: turbidez, temperatura, pH, COD, DBO, opacidad, colorimetría, espectro radiometría diferencial de aérea y de inmersión,
ü Paneles o fuentes radiadores de flujo lumínico homogéneo de alto rendimiento, bajo consumo, larga vida y bajo coste,
ü Sistemas de microfiltración de fácil limpieza,
ü Automatización del control de flujo de gases (CO2) y adición de nutrientes,
ü Precámaras de mezcla y tolvas para la recogida del producto,
ü Monitorización y control informático computadorizado.
Estos aspectos implican 4 diferentes áreas del diseño del fotobioreactor que tienen que ver con:
ü El aprovechamiento de la energía luminosa: ciclos luz-oscuridad, trayectoria de la luz y geometría de fotobioreactores;
ü Los aspectos fisiológicos: fotoinhibición por oxígeno, cultivos de alta densidad celular, ultra alta densidad celular, heterotrofía y mixotrofía;
ü Los aspectos hidrodinámicos: número de Reynolds, estrés hidrodinámico, agitación, mezclado y turbidez;
ü Los fenómenos de transferencia: masa, calor y momentum.
Operativamente, un fotobioreactor para el cultivo de microalgas combina en uno solo, 4 tipos de bioreactores:
Un quimiostato: de ambiente químico estático; es un bioreactor al que continuamente se le agrega medio fresco, a la misma velocidad en el líquido de cultivo, se remueve del sistema, para mantener el volumen de cultivo constante. Su operación está diseñada para que al cambiar la velocidad con que se agrega el medio de cultivo fresco al bioreactor, la tasa de crecimiento del microorganismose pueda controlar fácilmente. Dado que la tasa de flujo medio se controla para mantener elvolumen de cultivo constante, con un flujo continuo, la alimentación (flujo de entrada) y la salida o efluente (flujo de salida), deben ser iguales en un quimiostato.
7- Bioreactor de tanque agitado (CSTR) operado como un quimiostato.
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Un turbidoestato es un dispositivo de cultivo continuo similar a un quimiostato; su nombre deriva de turbidez estática (ambiente); en comparación con el quimiostato, este bioreactor tiene unaretroalimentación entre la turbidez y la tasa de dilución del recipiente de cultivo. La relación teórica entre el crecimiento en un quimiostato y el crecimiento en un turbidoestato es similar, en el sentido de que, ambos técnicamente tienen un volumen fijo y una tasa de flujo fija y por lo tanto, la tasa de dilución es fija. En el estado de equilibrio, cuando las células son uniformes, elfuncionamiento de un quimiostato y turbidoestato son idénticos. Es sólo cuando el crecimiento no es homogéneo que las diferencias se hacen manifiestas; eso ocurre cuando las células en crecimiento se encuentran: fuera de equilibrio, están mutando, o están creciendo a su tasa de crecimiento máximo. En este último caso (cuando las células están creciendo a su tasa de crecimiento máximo) es muy difícil establecer el quimiostato a la tasa de dilución constanteadecuada; por esa razón, el turbidoestato utiliza un espectrofotómetro/turbidómetro para medir la densidad óptica del cultivo que se asocia a su densidad celular, para el control de la tasa de dilución constante adecuada. No obstante, existen otras opciones tales como, la permitividad dieléctrica para medir y controlar tasa de dilución en un turbidoestato.
Un auxoestato es un dispositivo de cultivo continuo similar a un turbidoestato, se diferencia de éste en que su funcionamiento utilice la información obtenida por retroalimentación de unacámara de crecimiento celular, para controlar: el caudal del medio de cultivo (alimentación fresca), el pH (acidez), la temperatura y el mantenimiento interno (agitación, viscosidad, etc.) a unamedida constante. Auxo era la diosa griega del crecimiento de primavera, y como un prefijo representa nutrientes. El uso típico de los auxoestatos es para controlar la acidez (pH) en un cultivo bacteriano con retroalimentación entre la tasa de crecimiento y un medidor de pH, como se observa en la figura. No obstante, en un auxoestato para el cultivo de microalgas deben medirse y controlarse el flujo y concentración del CO2, la intensidad y el periodo de iluminación y la densidad celular del cultivo celular.
8- Auxoestato para el cultivo bacterial por control de pH
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Operación Continua y Cultivo de Microalgas en un Fotobioreactor
Operación Continua
9- Esquema de un quimioestato
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Para un componente “i” cualquiera de un cultivo celular, incluida la biomasa, se puede plantear el siguiente balance de materia en el bioreactor: d(VCi)/dt = F1Ci1 – F2Ci + Vrfi – Vrci (1)Donde V es el volumen de cultivo, F1 es caudal de alimentación, F2 el de salida, Ci1 la concentración del componente "i" en la alimentación y Ci la concentración en el caudal de salida; rfi y rci son lavelocidad de formación (f) y la velocidad de consumo (c) del componente "i" respectivamente. Bajo el supuesto de que, el cultivo está perfectamente mezclado (mezcla perfecta), se puede asumir que Ci es idéntica a la concentración que hay dentro del bioreactor. En una operación continua, el volumen varía con en el tiempo, de acuerdo a la ecuación: dV/dt = F1 – F2 (2). En un quimioestato, los caudales o flujos de entrada y de salida son iguales y dado que el volumen es constante; la ecuación 1 se reduce a: V dCi/dt = F (Ci1 – Ci) + V(rfi – rci) (3).
10- Esquema de un bioreactor "fed batch"
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Bioreactor de Inóculo
Para iniciar un cultivo continuo a gran escala, se debe realizar previamente el inóculo del bioreactor a gran escala, desde un bioreactor a pequeña, dedicado exclusivamente, al cultivo por lotes “batch”. Las microalgas son organismos fotosintéticos autótrofos por lo que, además de luz de calidad para realizar la fotosíntesis, necesitan CO2 como substrato limitante de la velocidad de crecimiento para poder dividirse. Un bioreactor de inóculo para el cultivo de microalgas debe ser por lo tanto, un fotobioreactor alimentado “fed batch” por una corriente S de CO2 comosubstrato limitante de la velocidad de crecimiento. Una vez establecido el inóculo, se comienza aalimentar con medio fresco a un caudal F, la entrada y a recolectar la biomasa o producto, por unrebalse o lavado; para que se mantenga el volumen constante. En un bioreactor alimentado, elcaudal de salida es nulo (F2 = 0) por lo que, el volumen aumenta con el tiempo y en función del caudal de entrada (F1). Las condiciones de operación del bioreactor de inóculo son: F1 = F; dV/dt = F (4) y V dCi/dt = F (Ci1) + V(rfi – rci) (5).
El Tiempo de Residencia
El volumen V permanece dentro del operador diferencial pues varía con el tiempo. Por ese motivo,un cultivo alimentado tiene duración limitada en el tiempo que se conoce como tiempo de residencia, ya que, el volumen no puede incrementarse más allá del volumen útil que tiene el bioreactor. El tiempo de residencia (τ) es la cantidad promedio de tiempo que pasa una célula dentro del bioreactor. Esta medida varía directamente con la cantidad de sustancia en el sistema y en su forma genérica está dado por la ecuación: τ = V/F (6). En el caso de “sistemas vivos”, la cantidad de substancia debe transformarse y modificarse por concentración para adaptarse al concepto de sistema biológico, con eso, la ecuación 6 se transforma en: C = Co exp (-kτ) (7). Donde; C = Concentración, Co = concentración inicial, exp = exponencial, k = constante de velocidad de reacción, τ = tiempo de residencia del bioreactor.
Ecuaciones y Balances de Materia en el Cultivo Continuo
En el estado estacionario la tasa de crecimiento específico (μ) de un microorganismo es igual a latasa de dilución (D).
La tasa de dilución se define como la tasa de flujo promedio entre el volumen del cultivo del bioreactor: D = F/V (8).
Balance General de Materia: V dCi/dt = F (Ci1 – Ci) + V(rfi – rci) (3)
Balance Materia del Componente X (Biomasa): V dX/dt = -FX + V rfx (9)
Balance Materia del Substrato Limitante de la Velocidad S: V dS/dt = F (S1 – S) – V(rs) (10)
Balance de Materia del Producto P: V dP/dt = -FP + V rp (11)
11- Fases del crecimiento bacteriano
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Cinética y Crecimiento Bacteriano
Cada microorganismo que crece en un sustrato en particular tiene una tasa máxima de crecimiento específico (μm) que se alcanza después de la fase exponencial de crecimiento, al llegar la fase estacionaria de crecimiento. Dado que, tasa de dilución se define como la tasa de flujo promedio entre el volumen del cultivo del bioreactor, D define el comportamiento operacional del bioreactor; si se elige una tasa de dilución mayor que μm, habrá acumulación y eventualmente, el volumen del cultivo llegará a ser mayor que el volumen del bioreactor; el cultivo no podrá sostenerse a sí mismo en el bioreactor y habrá lavado; es decir, se removerán las células del cultivo, a mayor velocidad de lo crecen o se reproducen. Cuando la tasa de dilución menor que μm, la acumulación será negativa, las células y el cultivo estarán siempre en su fase exponencial y no se alcanzará nunca el estado estacionario. Bajo condiciones controladas, las cianobacterias pueden duplicar su población cuatro veces al día.
Ecuaciones Cinéticas en el Estado Estacionario
El caudal de salida o lavado contiene células maduras y medio de cultivo parcialmente agotado. En base a la ecuación de balance general de materia (ecuación 3), se pueden establecer losbalances de materia para: la biomasa X, el substrato limitante de la velocidad S y el producto P.
En el estado estacionario: rX = μm (12). Resulta: F / V = D = μm (13).
La concentración media del substrato limitante de la velocidad S` en estado estacionario es: S` = KsD / μm – D (14).
La velocidad de consumo de substrato en el estado estacionario es: rs = D (S1 – S`) (15).
El rendimiento celular de biomasa se define como la relación entre la biomasa producida y el sustrato consumido (usualmente la fuente de carbono y energía): Yx/s = -dX/dS (16).
Por la ecuación (16) la velocidad de consumo de substrato en función del rendimiento celular de biomasa en el estado estacionario es: rs = μmX / Yx/s (17).
La concentración de biomasa en función del rendimiento celular de biomasa en estado estacionario es: X` = Yx/s (S1 – S`) (18).
La velocidad de dilución crítica Dc en el estado estacionario es: Dc = μm S1 / Ks + S1 (19).
Ks se conoce como constante de saturación; el valor de Ks está inversamente relacionado con la afinidad del microorganismo por el sustrato. Cuando la afinidad del microorganismo por el sustrato es muy alta como ocurre en el cultivo de microalgas, S1 » Ks y Dc = μm, lo cual es uncriterio útil para elegir un valor de D apropiado.
La ecuación de formación de producto en estado estacionario es: P` = rp / D (20). O bien: P` =qpX` / D (21). P es la concentración de producto en estado estacionario.
El rendimiento de producto se define como la relación entre el producto obtenido y el sustrato consumido (usualmente la fuente de carbono y energía): Yx/s = -dP/dS (22).
El Cultivo de Microalgas
El cultivo de algas es una forma de acuicultura que se ocupa del cultivo de especies de algas, mayoritariamente, microalgas, organismos fotosintéticos autótrofos que forman parte delfitoplancton también denominadas micrófitas. El combustible de algas es un biocombustible de tercera generación, fabricado a partir de los productos oleaginosos de microalgas; por esa razón, la investigación sobre algas para la producción masiva de aceite se centra principalmente sobre esas especies. Sus principales representantes son las diatomeas y las cianobacterias. La mayoría de las diatomeas son unicelulares , aunque pueden existir como colonias en forma de filamentos o cintas (por ejemplo, Fragillaria ); las diatomeas son los principales productores en la cadena alimentaria; su rasgo característico es que están encerrados dentro de una pared de célula únicahecha de sílice (dióxido de silicio hidratado) llamado frustule. A pesar de ser grandes productoras de aceites, el frústule, más bien, la sílice del que está hecho, es un serio inconveniente para unaproducción industrial de biocombustible, razón por la cual, las diatomeas no son utilizadas para ese bioproceso industrial.
Cianobacterias
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Cianobacterias
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Filo:
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Cyanobacteria
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12- Cianobacterias: Croococales
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13- Cianobacterias: Lyngbya
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Las cianobacterias (Cyanobacteria, gr. κυανός kyanós, "azul") son un filo del reino Bacteria (único del dominio del mismo nombre) que comprende las bacterias capaces de realizar fotosíntesis oxigénica y a sus descendientes, los plastos, por endosimbiosis. Las cianobacterias fueron consideradas durante mucho tiempo como cianófitas (Cyanophyta, literalmente "plantas azules") ocianofíceas (Cyanophyceae, literalmente "algas azules"), castellanizándose el nombre como algas verdeazuladas. Cuando se descubrió la distinción entre célula procariota y eucariota se constató que taxonómicamente son las únicas "algas" procariotas y los únicos procariotas que llevan a cabofotosíntesis; y el término "Cianobacteria" empezó a ganar preferencia. Actualmente, lascianobacterias son un filo de bacterias que obtienen su energía a través de la fotosíntesis por lo que, también se les denomina oxifotobacterias (Oxyphotobacteria); los análisis genéticos han venido a situar a las cianobacterias entre las bacterias gramnegativas.
14- Cianobacterias: Oscillatoria
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La taxonomía de las cianobacterias está actualmente en revisión y dista mucho de ser definitiva. Las croococales (Chroococcales) son un orden de cianobacterias unicelulares que se agrupan en colonias y forman falsos filamentos; no tienen heterocistes por lo tanto, son incapaces de fijar nitrógeno; con frecuencia poseen revestimientos gelatinosos. Las oscilatoriales (Oscillatoriales) son un orden de cianobacterias filamentosas sin ramificación, o con falsa ramificación; son carentes de heterocistes y acinetos. Las oscilatoriales incluyen numerosos géneros entre los que destacan Oscillatoria y Spirulina. Oscillatoria es un género de cianobacterias antiguamente incluido en la división Cyanophyta que, junto a la división Prochlorophyta formaban un grupo de procariotas autótrofos.
Establecimiento de Cultivos de Microalgas
Se han desarrollado diversos métodos para obtener cultivos monoespecíficos (de una sola especie) y axénicos (libres de contaminantes) de microalgas, que en síntesis se pueden resumir bajo el siguiente esquema.
Aislamiento
Los métodos básicos de aislamiento para microalgas son:
Filtración
Diluciones Sucesivas
15- Aislamiento y purificación de microalgas por el método de diluciones sucesivas y subcultivos repetidos.
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16- Método de filtración a través de una columna empacada con algodón.
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Purificación
Los métodos básicos purificación para microalgas son:
17- Purificación de cepas de microalgas mayores de 10μ mediante el método de micropipeta (pipeteo capilar) y cultivos sucesivos.
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Pipeteo Capilar: se utiliza para separar microalgas mayores de 10μ: se usa una pipeta de tubo capilar como instrumento para capturar microalgas, a través del microscopio óptico; luego se separan las células en pequeñas gotas con solución de nutrientes y se colocan alrededor de una Caja de Petri o en portaobjetos escavados para que formen cepas. Las cepas seleccionadas son purificadas por cultivos sucesivos.
18- Método de purificación de colonias de microalgas por rayado en placa de agar.
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Rayado de Placas de Agar: se utiliza para separar microalgas menores de 10μ: se transfieren pequeñas gotas de plancton con un asa de siembra, extendiendo por estrías (rompiendo un poco el agar). Este agar se prepara con una solución nutritiva para microalgas y con una relación de 1–1.5% w/v de agar disuelto en el medio nutritivo, se incuba la placa bajo iluminación a 18–20°. De este primer crecimiento se transfiere a tubos con agar inclinado sembrando por estrías o bien, se transfiere a medios líquidos en subcultivos sucesivos para su purificación, de tal manera que en cada dilución se reduzca el número de organismos en una gota, es recomendable combinar la técnica de diluciones con la de transferencia en placa de agar o tubo inclinado para obtener cultivos clonajes (de una sola colonia o célula) y poder establecer el cultivo mono específico. Después de 10 días, pequeñas colonias aparecen sobre la superficie del agar, que se pueden transferir mediante el Método de Hocking o de la micropipeta a medios líquidos.
Control Bacteriológico
Preparación del Medio de Zobell:
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Tripticasa
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1.0 gr
| |
Extracto de levadura
|
1.0 gr
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Fosfato Férrico
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5 mg
| |
Agar
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15.0 gr
| |
Agua envejecida (3 meses)
|
1 litro
| |
pH = 7.0 – 7.2
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Para prevenir el desarrollo bacteriológico en los cultivos de microalgas es necesario determinar laconcentración óptima de antibiótico que inhibe el crecimiento de cepas contaminantes; así como el antibiótico ideal para dicho propósito. Para eso, primero es necesario preparar un medio de cultivo como el siguiente:
En Cajas de Petri, con tapa no muy gruesa. Con un asa de Platino picar el agar con la muestra que se desea analizar y colocar a la luz o en una incubadora con iluminación apropiada por un periodo de 2 a 3 días para observar si hay crecimiento bacteriano.
TUBO
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1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
Volumen ml
|
3.0
|
2.0
|
1.0
|
0.5
|
0.25
|
Penicilina µg/ml
|
12.000
|
8.000
|
4.000
|
2.000
|
500
|
Estreptomicina µg/ml
|
8.000
|
4.000
|
2.000
|
1.000
|
250
|
Si el cultivo presenta bacterias se debe realizar un ensayo factorial, sometiendo a la acción combinada de al menos dos tipos diferentes de antibióticos, se recomiendan tres, en cinco diferentes concentraciones; por ejemplo:
Medios de Cultivo para Microalgas
Se han desarrollado diferentes medios de cultivo para microalgas cuyas fórmulas tienen diferentes usos o propósitos:
ü Enriquecer el agua de mar natural,
ü Enriquecer el agua dulce natural,
ü Medios artificiales para:
· Agua de mar
· Agua dulce
ü Medios específicos para: especies específicas,
ü Medios selectivos para especies seleccionadas.
Los medios artificiales permiten resultados constantes en contraste con, los medios para enriquecer que tienen resultados variables debido a, entre otros factores, que dependen del lugar y las características del agua donde se colectan y el tiempo de almacenamiento de la misma. El fitoplancton se desarrolla y multiplica en relación de las condiciones fisicoquímicas del medio; en términos generales los macronutrientes son los factores limitantes del crecimiento y dirigen elmetabolismo basal o primario mientras que, los micronutrientes se requieren en cantidades menores y son indispensables para el metabolismo secundario. Los macronutrientes son: el Carbono, Nitrógeno, Fósforo, Silicio, Magnesio, Potasio y Calcio; en tanto que, los micronutrientes son: Hierro, Manganeso, Cobre, Zinc, Sodio, Molibdeno, Cloro y Cobalto. Algunos medios de cultivo para microalgas son.
MEDIO CHU 10 MODIFICADO POR GERLOFF
| |
Recomendado para aislamiento de microalgas
de hábitats oligotróficos y eutróficos
| |
Ca(NO3)2
|
0.04%
|
K2HPO4
|
0.01%
|
Na2CO3
|
0.02%
|
MgSO4.7H2O
|
0.025%
|
Na2SiO3
|
0.025%
|
Citrato de Fierro Amoniacal
|
0.005%
|
NOTA: Puede usarse para medio solidificado
| |
Agar-Agar
|
1.0%
|
MEDIO ENRIQUECIDO
| ||
MEDIO MIGUEL (ALLEN-NELSON, 1910)
| ||
Solución A:
|
KNO3
|
20. 2 g
|
H2O
|
100 ml
| |
Solución B:
|
Na2HPO412H2O
|
4 g
|
CaCl26H2O
|
4 g
| |
HCl conc.
|
2 ml
| |
FeCl3
|
2 ml
| |
H2O
|
80 ml
| |
Agregar 2 ml de la Solución A y 1 ml de la Solución B
En un litro de agua de mar natural, calentar a 70°C por 20 min.
| ||
MEDIO ERD-SAHREIBER ENRIQUECIDO (FOYN, 1934a,b)
| ||
NaNO3
|
10 mg
| |
Na2HPO412H2O
|
2 mg
| |
Extracto de suelo
|
5 ml
| |
Agua de mar
|
100 ml
| |
MEDIO ERD-SCHREIBER
| ||
*Agua de mar
|
1 litro
| |
Extracto de suelo
|
50 ml
| |
NaNO3
|
0.2 g
| |
Na2HPO4.12H2O
|
0.03 g
| |
MEDIO DE YASHIMA
Para cultivo masivo de clorofíceas marinas
| ||
Sulfato de Amonio (para la agricultura 21%)
|
100 g/t
| |
Superfosfato de Calcio (para la agricultura 21%)
|
15 g/t
| |
Urea (para la agricultura 21%)
|
15 g/t
| |
Clewat 32
|
30–50 g/t
| |
Componentes de Clewat 32:
| ||
FeCl2 (como fuente de Fe)
|
0.385%
| |
ZnCl2 (como fuente de Zn)
|
0.166%
| |
MnCl2 (como fuente de Mn)
|
0.775%
| |
CoCl2 (como fuente de Co)
|
0.017%
| |
CuSO4 (como fuente de Cu)
|
0.007%
| |
(NH4)6Mo7O24 (como fuente de Mo)
|
0.632%
| |
H3 BO3 (como fuente de B)
|
2.470%
| |
EDTA
|
0.005%
| |
MEDIO DE YASHIMA MODIFICADO (HIRATA, 1975)
| ||
Medio de Yashima (en la misma concentración)
| ||
Peptona
|
50 g/t
| |
Peptidasa
|
0.005%
| |
Diaminasa
|
0.005%
| |
(recomendado para cultivos axénicos)
| ||
MEDIO DE CULTIVO STEIN PARA AGUA DULCE (Guillard, In: Stein, 1979)
a. Macronutrientes:
| ||
CaCl2.2H2O
|
36.76 g/l
| |
MgSO4.7H2O
|
36.97 g/l
| |
NaHCO3
|
12.60 g/l
| |
K2HPO4
|
8.71 g/l
| |
NaNO3
|
85.01 g/l
| |
Na2SiO3.9H2O
|
28.42 g/l
| |
b. Micronutrientes:
| ||
Na2EDTA
|
4.36 g/l
| |
FeCl3.6H2O
|
3.15 g/l
| |
CuSO4.5H2O
|
0.01 g/l
| |
ZnSO4.7H2O
|
0.022 g/l
| |
CoCl2.6H2O
|
0.01 g/l
| |
MnCl24H2O
|
0.18 g/l
| |
Na2MoO4.2H2O
|
0.006 g/l
| |
c. Vitaminas:
| ||
Tiamina HCl
|
0.1 mg/l
| |
Biotina
|
0.5 g/l
| |
Cianocobalamina
|
0.5 g/l
| |
De la solución a se obtiene 1ml y se adiciona a 1l de agua esterilizada.
De la solución b se obtiene 1ml y se adiciona a 1l de agua esterilizada.
d. Tris:
| ||
Hidroximetil Amino metano
|
50g/200 ml H2O dest.
| |
De la solución c se obtiene 1ml y se adiciona a 1l de agua esterilizada.
De la solución d se obtiene 2 ml y adiciona a 1l de agua esterilizada. Nota: Una vez preparado el medio de cultivo, debe ajustarse de pH a 7.2 con HCl para no obtener un pH ácido.
Cultivo de Microalgas en Fotobioreactores
TABLA 1 CARACTERISTICAS DE ALGUNAS DE LAS ESPECIES DE
MICROALGAS UNICELULARES UTILIZADAS EN ACUACULTURA
(COLL-MORALES J., 1983)
| |||
GENERO
|
CICLO DE
LUZ
|
TEMPERATURA
OPTIMA
|
DIAMETRO
MEDIO
|
Phaeodactylum (diatomea)
|
10 h
|
25°C
|
10.4μ
|
Skeletonema (diatomea)
|
13.1 h
|
18°C
|
>20μ
|
Dunaliella (cloroficea)
|
24 h
|
16°C
|
17.8μ
|
Chlorella (cloroficea)
|
7.7 h
|
25°C
|
5μ
|
Tetraselmis (cloroficea)
|
18 h
|
18°C
|
18.4μ
|
Monochrysis (crisoficea)
|
15.3 h
|
20–25°C
|
10μ
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Isochrysis (crisoficea)
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30.2 h
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20°C
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10.2μ
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Crecimiento Celular
El crecimiento y la división celular de las microalgas son afectados por la intensidad de la luz y elfotoperíodo (horas de iluminación y obscuridad) en relación con la temperatura como muestra la Tabla 1. La duración del ciclo de luz así como la temperatura óptima son susceptibles de variación de acuerdo con la selección de la variedad (especie).
Crecimiento en Biomasa
El crecimiento fotosintético en plantas requiere luz, dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas para que éstas desarrollen sus sistemas tisulares y cumplan diversas funciones metabólicas. En el caso de las microalgas, casi toda la superficie del microorganismo realiza la función fotosintética, por lo que se obtiene un mayor rendimiento en la función fotosintética (transformación de la energía lumínica a energía química). Esto coloca a las microalgas en la base de la cadena trófica, transmitiendo la energía al resto de escalones.
19- Esquema piramidal de la cadena trófica
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El crecimiento medio de las microalgas precisa una serie de elementos inorgánicos básicos ycarbono (C) como elemento orgánico principal para constituir la célula. Los denominadoselementos esenciales son: carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P), metales; y en algunos casos silicio (Si).
Requerimientos Principales de los Cultivos de Microalgas
TABLA 2 REQUERIMIENTOS PRINCIPALES DE LOS CULTIVOS DE MICROALGAS
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REQUERIMIENTOS
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COMPUESTOS QUIMICOS
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VALORES
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Físicos
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Luz
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2,000 – 4,000 lux
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Temperatura
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15 – 22°C
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Salinidad
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0.37‰
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pH
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7 – 9
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Redox
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Nutritivos
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C
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CO2CO3≃
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g/100 ml
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O, H
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O2H2O
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g/100 ml
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N
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N2NH4+ NO3
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g/100 ml
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P
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PO4≃
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g/100 ml
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S
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SO4≃
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g/100 ml
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Na, K, Ca, Mg
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Sales
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g/100 ml
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Fe, Zn, Mn, B, Br, Si
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Sales
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mg/100 ml
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Cu, Co, Cl, I, Sr, Rb, Al
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Sales
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μg/100 ml
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Vitaminas
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B12, tiamina, biotina
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μg/100 ml
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La tabla 2 recoge los principales requerimientos físicos y de nutrición en los cultivos de microalgas, en valores aproximados.
En cada caso particular (especie) se deben establecer las necesidades particulares de la especie que se vaya a cultivar; en las condiciones concretas de cultivo que se van a utilizar; para determinar la condición optima de crecimiento. Ciertos nutrientes como el fósforo deben ser suministrados en exceso debido a que, en la mayoría de sus formas, se encuentra como complejos metálicos por lo que, no todo el fósforo es bioasimilable. Si se utiliza agua del mar como soluto, ésta puede ser suplementada con fertilizantes comerciales nitrogenados y fosforados; y con pequeñas cantidades de otros micronutrientes.
Control de pH y Dosificación de CO2
20- Sistema de inyección de CO2
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En un sistema continuo de cultivo de microalgas el CO2 debe ser suministrado de manera continua; durante los fotoperiodos de horas de luz y controlando su dosificación mediante sensores de pH que minimicen las pérdidas y regulen la acidez. En bioreactores tubulares el pH al final del tubo (reactor) se eleva al disminuir la concentración de CO2 debido a su alto consumopor parte de los microorganismos algales. La concentración de CO2 disuelto (COD) puede ser controlada mediante su inyección en las zonas de estancamiento; es decir, donde la concentración ya no permite obtener una capacidad máxima fijadora. El pH se debe controlar junto con el COD debido al que el equilibrio del CO2 con el agua depende tanto de la temperaturade la acidez del medio de cultivo.
Fotosíntesis Oxigénica y Eficiencia Fotosintética
La eficiencia fotosintética (EF) se define como la fracción de energía de luz que se fija comoenergía química durante el crecimiento foto autotrófico. En la fotosíntesis de las plantas, como mínimo se requieren 10 fotones de luz (cuantos) para producir un mol de O2 .Los requerimientos nutricionales mínimos para el metabolismo celular de la mayoría de especies de bacteriaspueden ser estimados usando la siguiente aproximación a la formula molecular de su biomasa: C 0.48 – H 1.83 – N 0.11 – P 0.01 (23). No obstante, las microalgas por ser microorganismos autótrofos fotosintéticos, poseen un metabolismo diferente y su composición representativa de la biomasadebe representarse por la siguiente fórmula: CH 1.78 – O 0.36 – N 0.12 (24) que corresponde a los14 cuantos de fotones necesarios para fijar un mol de CO2 en la biomasa, sobre la base de amonio como fuente de nitrógeno. En esa misma base, un mol de CO2 fijado resulta en un Cmolde biomasa (= 21,25 g de peso seco) con una entalpia de combustión de 547,8 × Cmol kJ -1. En lafotosíntesis normal sólo la luz de longitudes de onda entre los 400nm y 700nm son aprovechablespor la planta; esto representa el 42,3% de la energía del espectro total de luz solar y se llamaradiación fotosintética activa (PAR); el contenido promedio de energía de los cuantos de luz en ese rango del espectro es de 218 kJ/mol cuanto. En cultivos de microalgas, la combinación activa de todos los elementos, se calcula que como máximo el 9% de la energía solar disponible(teniendo en cuenta todas las longitudes de onda) se puede en convertir en energía química con producción de biomasa nueva; eso significa que el rango de PAR la eficiencia es del 21,4%. Lafotosíntesis oxigénica es la modalidad de fotosíntesis en la que el agua es el donante primario deelectrones y que, por lo tanto, libera oxígeno (O2) como subproducto.
La fotosíntesis oxigénica es propia de las cianobacterias y de sus descendientes por endosimbiosis.
El Fotoperiodo
21- Fotobioreactor vertical en fotoperiodo activo
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El fotoperiodo es un factor que regula la división celular, en diatomeas la reproducción asexual (división) ocurre durante el período de luz y éste es acelerado bajo iluminación continua. En contraste las especies formadoras de auxoesporas (esporas sexuales) como las cianobacterias,forman células del mismo tamaño durante el período de obscuridad. Por tanto, el fotoperiodo operíodo de iluminación debe ajustarse de acuerdo con los objetivos del cultivo; así como, con elespécimen y la variedad que se cultiva. Un fotoperiodo continuo de iluminación prolongada puede producir el crecimiento rápido del cultivo, pero puede afectar a formación de auxoesporas. Un fotoperiodo normal, con horas de luz y obscuridad semejante al fotoperiodo solar, mantiene un crecimiento normal y saludable. En condiciones controladas, un fotoperiodo de 16/8 horas luz/oscuridad ha mostrado ser óptimo para cultivos de cianobacterias, en gran variedad de especies.
La Curva Dosis-Respuesta a la Energía Luminosa
22- Respuesta de un ojo humano tipo a la luz
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No toda la radiación lumínica (luz) puede ser aprovechada por o en el cultivo de organismos foto-autotróficos. La tasa de fotosíntesis celular (F) es la capacidad de captación de fotones que tiene una célula fotosintética y depende de la energía luminosa (E) que reciben las células. La radiación fotosintéticamente activa (F/E) es la cantidad de radiación integrada del rango de longitudes de onda que son capaces de producir actividad fotosintética en plantas y otros organismos fotosintéticos como microalgas y bacterias. Ese rango está comprendido entre los 400nm y los 700nm y corresponde también aproximadamente con el espectro visible por el ojo humano.
23- Curva Dosis-Respuesta a la Energía Luminosa
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El aprovechamiento de la energía radiante durante la fotosíntesis está relacionado con la curva dosis-respuesta que describe esa relación como una respuesta típica del crecimiento celular respecto a la intensidad luminosa. A bajos niveles de intensidad luminosa la rapidez de la fotosíntesis aumenta con la intensidad de luz; pero cuando el nivel de energía incidente supera cierto valor crítico (Ek) la actividad fotosintética decae y solo induce pequeños cambios en F. Laconstante Ek es específica y característica para cada organismo, e indica el nivel de energía luminosa al que comienza a saturarse el fotosistema del microorganismo. Cuando la energía incidente supera el nivel crítico, el efecto causa la inhibición de los fotosistemas celulares; lo cual, puede ocasionar el deterioro del cultivo celular e incluso causar un daño irreversible.
Eficiencia y Eficacia Luminosa
La eficacia luminosa de la radiación (κ) mide la parte de energía electromagnética que se usa para iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso (F) entre el flujo radiante (φ), κ = F/φ (25). En el sistema internacional SI la eficacia luminosa se expresada en lúmenes por vatio (lm/W). La eficacia luminosa tiene un valor máximo posible de 683 lm/W que para el caso de la luz monocromáticacorresponde a una longitud de onda de 555 nanómetros (verde).
La eficacia luminosa de una fuente de luz (η) o rendimiento luminoso mide la parte de energía eléctrica que se usa para iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso emitido (F) entre la potencia (P) eléctrica consumida, η = F/P (26).
Por otro lado, la eficiencia luminosa (F/E) mide la eficiencia con la que la luz incidente es utilizadapor la célula o el microorganismo fotosintético; es decir, la fracción de energía luminosa incidente que es convertida a energía química por el fotosistema.
Unidades de fotometría del SI
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Magnitud
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Símbolo
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Unidad del SI
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Abrev.
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Notas
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Qv
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F
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Medida de la potencia luminosa percibida
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Iv
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Lv
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Ev
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Usado para medir la incidencia de la luz sobre una superficie
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Mv
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Usado para medir la luz emitida por una superficie
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Eficacia luminosa
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η
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razón entre flujo luminoso y flujo radiante
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